厌氧系统中产甲烷微生态对酸和氨胁迫的响应机制研究

厌氧产甲烷微生态对厌氧系统胁迫的响应机制研究

运用稳定碳同位素标记示踪和多种分子生物学技术，建立了由代谢流、代谢途径、微生物菌群结构和功能形态多角度综合表征厌氧产甲烷微生态的创新研究方法体系。基于同步应用稳定碳同位素示踪和FISH技术，发现胁迫过程中，功能菌群倾向于缩小细胞间距，呈聚集式生长。基于应用稳定碳同位素标记技术，发现在共生乙酸氧化和CO2还原型产甲烷联合途径中，氢营养型产甲烷菌所利用的碳源来自液相环境中的无机碳。
理论教育 2023-11-06

厌氧系统中产甲烷微生态的酸和氨胁迫响应机制研究

在较高浓度乙酸的厌氧转化过程中，乙酸氧化共生菌群的逐渐构建和优势产甲烷代谢途径的转变几乎同步发生。在共生乙酸氧化和氢营养型甲烷化的联合途径中，合作的SAOB和产甲烷菌群可获得的能量极为有限[39，47，202]，限制了其快速生长，因此乙酸的降解速率也相对较低。由以上分析可见，初始乙酸浓度高于50 mmol/L，即抑制了乙酸发酵型产甲烷菌；而中性pH下较高浓度的乙酸，有利于SAOB和氢营养型产甲烷菌的生长。
理论教育 2023-11-06

厌氧系统中产甲烷微生态响应酸和氨胁迫机制

而进入活跃产甲烷期后，碳同位素分馏效应上升到极高水平，指示功能产甲烷菌种群可能发生了变化。在ATS_N0.14中，活跃产甲烷期，13CH4的含量高于95%，13CO2的含量则低于1.5%；进入稳定期后，13CH4含量迅速降低，13CO2含量随之提高，表明主导产甲烷途径已由活跃产甲烷期的乙酸发酵型转向稳定期的CO2还原型。
理论教育 2023-11-06

厌氧系统中产甲烷微生态响应机制研究

气相中δ13CH4和δ13CO2的测试方法参照2.3节。qPCR中所使用的引物信息见表2-6。每个qPCR反应体系为20 μL，包括：10μL SYBR Premix Ex-Taq TM溶液、2 μL DNA模板溶液、引物溶液各0.4μL和7.2μL Milli-Q水。qPCR程序为：预变性94℃10 min；45个循环包括：变性94℃10 s，退火60℃30 s，延伸60℃30 s；最后于60℃延伸7 min。PCR反应均在Mastercyclerep realplex2qPCR仪内进行。共生乙酸氧化细菌的测试方法同3.2.3章节。
理论教育 2023-11-06

厌氧系统中产甲烷微生态对酸和氨胁迫的响应机制研究：新发现！

图7-17 未驯化的高温微生态对氨胁迫的响应模式图TAN为10 mmol/L时 乙酸的甲烷化过程中，功能微生物为甲烷八叠球菌Methanosarcina sp.，其通过乙酸发酵型甲烷化途径代谢乙酸。3）未驯化的中温微生态NAMS中，优势菌群及其功能的演变过程图7-19 未驯化的中温微生态对氨胁迫的响应模式图TAN为357 mmol/L 在前活跃产甲烷期，液相和颗粒污泥内部的甲烷鬃毛菌科Methanosaetaceae通过乙酸发酵型途径产甲烷；随着pH逐渐上升，FAN浓度提高，Methanosaetaceae受到抑制，进入中间抑制期。
理论教育 2023-11-06

共生乙酸氧化细菌丰度及其响应机制研究

随着初始pH的降低，该途径所占的比例逐渐增加，由此推测，共生乙酸氧化细菌可能对酸胁迫具有较强的耐受性。为进一步验证共生乙酸氧化细菌在各研究体系中的分布，采用qPCR技术对其在不同培养条件下的丰度进行了定量分析。由于本实验体系以乙酸为单一碳源，共生乙酸氧化细菌为唯一可利用该底物的乙酸菌群，故FTHFS和ACS基因丰度的改变可指示乙酸氧化细菌的数量变化。
理论教育 2023-11-06

厌系统产甲烷微生态对酸和氨胁迫的响应机制研究

为监测关键微生物种群的动态变化，采用基于16S rRNA基因的qPCR技术对不同营养型的产甲烷菌，包括：氢营养型的甲烷杆菌目Methanobacteriales和甲烷微菌目Methanomicrobiales、严格乙酸营养型的甲烷鬃毛菌科Methanosaetaceae和多营养型的甲烷八叠球菌科Methanosarcinales的种群丰度进行定量分析。在暴露于CH3F的体系中，观察到乙酸氧化共生菌群的显著增加。在CH3F的作用下，不同乙酸浓度水平时乙酸氧化共生菌群的丰度均略高于无CH3F的系统。
理论教育 2023-11-06

厌氧系统中接种污泥对酸和氨胁迫的响应机制研究

中温（35℃）培养实验中所用大颗粒接种污泥为新鲜的厌氧甲烷化颗粒污泥，该污泥采集自上海市某造纸废水处理厂的中温UASB反应器。高温（55℃）培养实验中所用接种污泥是由污泥MCS驯化而来，取自实验室规模有效容积为2.5 L的高温（55℃）厌氧序批式反应器。其初始生长环境中本底TAN浓度为21～29 mmol/L，pH约为7.50。ASBR反应器稳定运行90天后COD去除率超过90%，接种用污泥TCS均在此之后取出。图2-1 接种污泥MCS和TCS
理论教育 2023-11-06

厌氧系统中产甲烷微生态对胁迫的响应机制研究

在厌氧消化系统内存在的主要产甲烷菌种群，包括乙酸发酵型产甲烷菌和氢营养型产甲烷菌。迄今为止，仅发现极少量的细菌种群可在氢营养型产甲烷菌的合作下进行共生乙酸氧化产甲烷反应。
理论教育 2023-11-06

厌氧系统中产甲烷微生态的酸和氨胁迫响应机制

本实验采用总容积为1 075 mL的玻璃瓶作为反应容器，液相的体积为500 mL。CH3F的使用方法同本书第3.2.2章节。反应器设置及命名见表4-1，每组有2个反应器。表4-1 不同初始乙酸浓度的反应器设置液相体系构建完成后，向反应器气相通入N25 min，并用真空泵抽吸循环5次，以驱除其中的空气。污泥样品定期从反应器内采集，采集过程在厌氧操作平台内完成。采集结束后，将反应器内充满N2，并向填充CH3F的反应器内补充CH3F。
理论教育 2023-11-06

产甲烷微生态对酸和氨胁迫的响应机制研究

为正常的生存和生长，微生物需要维持一定的细胞内pH。微生物细胞对底物的吸收也受介质pH的影响。以乙酸为例，pH过高时乙酸多以离子态存在，限制了产甲烷菌对底物的吸收；但pH过低时，游离乙酸分子的浓度大大增加，高浓度的游离乙酸透过细胞膜，进入细胞内部。pH对产甲烷菌的选择作用 微生物生存环境的pH对产甲烷菌群落具有较强的选择型。
理论教育 2023-11-06

厌氧系统中产甲烷微生态对酸、氨胁迫的响应机制研究

图6-6显示了各DNA样品文库预测古菌和细菌基因型丰度的稀疏化分析结果。而标记DNA中细菌和古菌的基因型丰度高于未标记DNA，说明整个微生物群落中仅小部分成员处于代谢活跃状态。隶属于泉古菌门Crenarchaeota的序列分别占轻DNA基因文库的9.8%～16.5%和重DNA基因文库的1.2%～1.5%。上述细菌种群在高氨浓度和低氨浓度反应器中获得的重DNA基因文库中均有存在，表明这些细菌种群可能参与了13C的代谢，但对氨胁迫不敏感。
理论教育 2023-11-06

古菌和细菌在ARISA指纹图谱中的响应机制

采用PCR-ARISA方法，对不同培养阶段采集的样品DNA，进行了古菌和细菌的ARISA图谱分析。而轻DNA的古菌ARISA图谱则展示了更高的丰富度，除了上述片段外，还包括了330-bp、560-bp、585-bp、600-bp和650-bp长度的片段。对于细菌，250-bp、300-bp和360-bp长度的片段仅存在于重DNA的图谱中，因此可能代表了耐氨胁迫的细菌种群。活跃产甲烷菌种群结构的变化，也在未分级DNA的ARISA图谱中得到展现。
理论教育 2023-11-06

厌氧系统中产甲烷微生态响应酸和氨胁迫

采用qPCR技术，监测了氨胁迫下5个关键微生物种群丰度的动态变化过程。本研究采用FISH方法观测了关键微生物种群，包括细菌、甲烷八叠球菌科Methanosarcinaceae、甲烷微菌目Methanomicrobiales、甲烷鬃毛菌科Methanosaetaceae和甲烷杆菌目Methanobacteriales的分布变化。氨胁迫下驯化的高温微生态 图7-11显示了ATS-N7反应器内功能微生物种群的变化过程。到活跃产甲烷期和稳定期，细菌和Methanomicrobiales已完全取代Methanosarcinaceae，成为优势微生物种群。
理论教育 2023-11-06

厌氧系统中产甲烷微生态对酸和氨胁迫的响应机制研究成果

由此表明，pH 5.5下氢营养型甲烷化途径的贡献更大。δ13CH4和δ13CO2分别为-84‰～-68‰和-9.5‰～-0.6‰，αc则达到1.083，呈现出典型的氢营养型甲烷化代谢途径的特征[200]。在初始pH 5.5且无CH3F存在时，稳定碳同位素分馏效应显著减弱，其αc=1.034，为乙酸发酵型途径和氢营养型途径混合进行的特征[139]，此时氢营养型甲烷化途径的比例约为51%。
理论教育 2023-11-06
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