基於穩定同位素示蹤的高濃度乙酸降解微生態功能識別

《基於穩定同位素示蹤的高濃度乙酸降解微生態功能識別》是依託同濟大學，由呂凡擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於穩定同位素示蹤的高濃度乙酸降解微生態功能識別
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：呂凡
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

易降解固體廢物的厭氧消化過程中，高濃度乙酸的積累是限制其甲烷化利用的主要原因。本申請項目的研究定位於高濃度乙酸環境下甲烷化代謝微生態的功能多樣性分析。通過穩定同位素標記乙酸厭氧降解實驗，利用穩定同位素示蹤代謝物在不同微生物之間的流動和分布，採用穩定同位素探針技術SIP和穩定同位素單細胞水平可視化技術SIMS-ISH，研究高濃度乙酸厭氧降解時微生態的種群多樣性和功能多樣性，從而在空間和豐度上識別出共生氧化細菌，確定共生氧化細菌與產甲烷菌的相互關係，確定酸性條件下產甲烷菌的甲烷生成途徑，探究不同微生物在高濃度乙酸代謝體系中的功能、對代謝的貢獻以及微生物之間的代謝聯繫。由此探明高濃度乙酸的厭氧甲烷化機理，提出易酸化基質快速厭氧降解的技術途徑。通過研究，可為避免和消除生物質固體廢物厭氧消化的酸累積現象，以及酸性條件下甲烷化的恢復和快速啟動，提供理論依據。

結題摘要

易降解固體廢物的厭氧消化，如何控制工藝穩定性，提高消化效率是目前該技術套用和發展的關鍵。高濃度乙酸降解形成甲烷，作為整個厭氧代謝流的終端，是確保易降解生物質固體廢物厭氧消化穩定運行的樞紐步驟。對於乙酸降解途徑認識的不足，導致如何緩解厭氧反應器酸累積的工程操作方法的不確定或不具針對性。本項目研究定位於高濃度乙酸環境下甲烷化代謝微生態的功能多樣性分析。通過穩定同位素標記乙酸厭氧降解實驗結合天然穩定同位素跟蹤，本研究開展了厭氧消化微生物的耐酸潛力分析及其種群多樣性構象、最佳化基於穩定同位素的微生態功能多樣性分析方法學、高濃度乙酸降解的微生態功能多樣性分析、厭氧微生態耐酸能力強化等有關研究工作。建立了相關的方法平台，研究了高濃度乙酸厭氧降解時微生態的種群多樣性和功能多樣性，從而在空間和豐度方面識別出共生氧化細菌，確定共生氧化細菌與產甲烷菌的相互關係，確定酸性條件下產甲烷菌的甲烷生成途徑，探究不同微生物在高濃度乙酸代謝體系中的功能、對代謝的貢獻以及微生物之間的代謝聯繫。研究發現低pH型酸脅迫、高有機酸濃度型酸脅迫、碳酸鹽濃度過度、酸和氨共同脅迫下，共生乙酸氧化—氫營養型甲烷化的串聯途逕往往會成為主導途徑，在脅迫環境下採取強化該串聯途徑的措施能緩解脅迫壓力。發現多種脅迫因子同時存在時會使抑制強度劇增，而不是純粹的抑制疊加，因此氨脅迫可以通過削減酸脅迫得以緩解。發現甲烷八疊球菌也可以利用乙酸發酵型代謝途徑來抵禦短期氨衝擊脅迫，因此維持菌群以聚集體結構形態存有利於高效穩定的厭氧反應運行。並由此發現，添加生物炭可以促進類似聚集體結構的形成，有利於產甲烷菌和共生細菌通過直接電子傳遞實現電子交換，從而使這些功能微生物得以被富集，抵禦酸和氨的抑制。由於生物炭容易製備、成本低廉，而且可以土壤生態系統兼容促進作物生長及溫室減排，這意味著殘留在廢物消化沼渣中的生物炭無需被分離出來，可以隨著沼渣一起進行土地利用，這是其它添加劑難以比擬的。從而為高含固率易降解物料厭氧消化的改善提出了確實可行的工程解決方案。