【摘要】：工業(yè)革命以來,隨著人類活動的不斷增強,CO_2和CH_4等溫室氣體在大氣中的濃度增加,加劇了全球氣候變暖以及極端氣候事件的發(fā)生,其中甲烷氣體對全球變暖的貢獻在主要溫室氣體中排第二位,對氣候變化有著深遠的影響。甲烷氣體的排放主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、有機廢棄物以及能源的利用,其中人類生活產(chǎn)生的有機廢棄物因不合理的堆放和填埋,生成的甲烷氣體直接排放到大氣中,產(chǎn)生的碳排放量對氣候變暖的貢獻不可忽略。另外,人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的有機廢棄物給環(huán)境帶來的有機污染也是當前人們需要解決的環(huán)境問題之一。因此,研究人類生活廢棄物在不同的環(huán)境下,甲烷的轉(zhuǎn)化差異和生成機制,對于解決有機廢棄物造成的環(huán)境污染問題,以及定量估算甲烷的排放量,控制溫室氣體排放,減緩溫室效應具有重要的意義。本試驗采用穩(wěn)定碳同位素比值分析方法,揭示甲烷生成代謝途徑的演變,采用微生物分子學技術(shù)監(jiān)測甲烷生成代謝過程中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。最后,分析甲烷生成代謝途徑與代謝過程中微生物群落變化之間的內(nèi)在關(guān)系,以此明確甲烷生成代謝機制。由于溫度是影響有機質(zhì)降解的一項重要參數(shù),因此本研究通過設(shè)置不同的溫度條件,探討了溫度對人類生活中產(chǎn)生的有機廢棄物產(chǎn)甲烷的影響。主要研究結(jié)論如下:1、在不同環(huán)境條件下,人類生活產(chǎn)生的有機廢棄物生成甲烷時的甲烷轉(zhuǎn)化率差異顯著,將溫度分別控制在25℃、35℃和40℃對十字花科蕓薹屬的廢棄蔬菜和人類日常生活中產(chǎn)生的餐廚垃圾進行厭氧消化實驗,研究溫度對厭氧環(huán)境中有機物降解的產(chǎn)氣特性得出:兩種有機物原料在35℃條件下,其總產(chǎn)氣量、TS/VS產(chǎn)氣率、穩(wěn)定時期的CH_4平均含量,以及總CH_4量均高于25℃和40℃條件下的實驗組,說明在厭氧消化降解有機質(zhì)時,將溫度設(shè)置為35℃時產(chǎn)氣效果較好;相同溫度條件下,對比兩種有機物原料的產(chǎn)氣潛力,發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾厭氧分解產(chǎn)氣過程中的各項指標高于蔬菜有機質(zhì),產(chǎn)氣效果更好;另外還發(fā)現(xiàn),在以餐廚垃圾作為原料進行厭氧消化實驗,將溫度控制在40℃時,系統(tǒng)中揮發(fā)性有機酸含量(VFA)一直處于較高水平,日產(chǎn)氣量較低。2、通過對兩類有機廢棄物在不同環(huán)境下產(chǎn)甲烷時氣體中的碳同位素研究發(fā)現(xiàn),甲烷生成過程中碳同位素的流動變化導致了不同甲烷代謝途徑對產(chǎn)甲烷總量的貢獻的變化,并且在同一系統(tǒng)中厭氧消化階段不同,甲烷代謝途徑對產(chǎn)甲烷總量的貢獻也發(fā)生著變化。主要表現(xiàn)為:蔬菜在發(fā)酵前期階段,甲烷的生成代謝途徑中的CO_2還原途徑比重最大,該途徑對產(chǎn)甲烷總量的貢獻在25℃、35℃、40℃條件下所占的比重分別為50.82%、35.69%和84.66%;餐廚垃圾作為發(fā)酵原料時,系統(tǒng)進入到穩(wěn)定產(chǎn)甲烷期CO_2還原途徑的貢獻較大,CO_2還原途徑對產(chǎn)甲烷總量的貢獻在各溫度條件下所占比重分別為46.12%、30.40%和36.89%,整個發(fā)酵過程中貢獻率始終小于50%。各實驗組在厭氧消化過程中CO_2還原途徑對產(chǎn)甲烷總量的貢獻,隨著時間的變化,除了蔬菜在發(fā)酵前期貢獻率為84.66%,其他均小于50%,說明各實驗組在產(chǎn)甲烷過程中主要以乙酸裂解途徑產(chǎn)甲烷為主導途徑。3、為了進一步研究有機廢棄物在甲烷生成過程中的甲烷轉(zhuǎn)化機制,對系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性組成進行了研究,發(fā)現(xiàn):(1)微生物群落結(jié)構(gòu)組成隨著溫度的改變而發(fā)生變化,溫度變化越大,微生物群落多樣性差異越大。(2)各實驗組的優(yōu)勢菌主要有擬桿菌目(Bacteroidales)、甲烷八疊球菌目(Methanosarcinales)、梭菌目(Clostridiales)三類,且在不同的發(fā)酵階段相對豐度都大于10%,且溫度的改變對主要優(yōu)勢菌的影響不大;各實驗組的亞優(yōu)勢菌主要有Synergistales、Pseudomonadales、Spirochaetales、Selenomonadales、Enterobacteriales、Burkholderiales等,且溫度的改變對亞優(yōu)勢菌的影響較大。(3)在各實驗組中檢測到了甲烷八疊球菌目(Methanosarcinales)和甲烷微菌目(Methanomicrobiales),其中甲烷八疊球菌目(Methanosarcinales)為主要的產(chǎn)甲烷古生菌,屬水平上檢測到的甲烷桿菌屬(Methanobacterium)、甲烷短桿菌屬(Methanobrevibacter)、第七產(chǎn)甲烷菌屬(Methanomassiliicoccus)、甲烷挑選菌屬(Methanoculleus)、甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina)所占比重均大于10%,為主要的優(yōu)勢菌。在餐廚垃圾為原料的實驗中,25℃條件下檢測到甲烷桿菌目(Methanobacteriales),在其他實驗組未被檢測到;在餐廚垃圾為原料的實驗中,40℃條件下檢測到第七產(chǎn)甲烷菌目(Methanomassiliicoccales),其他實驗組中未被檢測到。4、微生物群落結(jié)構(gòu)的變化會影響系統(tǒng)中日產(chǎn)氣量、甲烷含量、碳同位素分餾,微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性越豐富,日產(chǎn)氣量越大,甲烷含量則降低;溫度的改變影響著系統(tǒng)中產(chǎn)氣情況、產(chǎn)甲烷代謝途徑以及微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性差異,但在本研究所設(shè)置的溫度范圍內(nèi),產(chǎn)氣情況、產(chǎn)甲烷代謝途徑和微生物群落結(jié)構(gòu)并沒有隨著溫度的變化呈現(xiàn)顯著的規(guī)律性變化,原因是本研究所設(shè)置的溫度跨度不大,且都在中溫范圍內(nèi);在同一系統(tǒng)中,隨著發(fā)酵時間的延長,微生物物種的相對豐度發(fā)生了變化,厭氧消化過程中產(chǎn)氣特性與甲烷代謝途徑隨發(fā)酵時間的延長呈現(xiàn)出規(guī)律性演替。
【學位授予單位】：云南師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：Q938;X701
【圖文】：

圖 1.1 二氧化碳和甲烷排放量[6-7]另外，《京都議定書》中規(guī)定了清潔發(fā)展機制（Clean DevelopmentMechanism，CDM） ，由發(fā)達國家提供資金和技術(shù)，幫助發(fā)展中國家在境內(nèi)開展碳減排項目，其中碳減排量計算方法學是 CDM 項目的主要內(nèi)容之一[9]。碳減排量計算過程涉及眾多指標控制，尤以甲烷轉(zhuǎn)化因子(MCF)最為關(guān)鍵，MCF 變化的實質(zhì)是由微生物介導的產(chǎn)甲烷貢獻率的差異性造成的。MCF 是指有機質(zhì)中總能量轉(zhuǎn)化為 CH4的百分比，是溫室氣體排放量計算的重要參數(shù)。文獻研究[10]表明 MCF 值會受到溫度、滯留時間、管理方式等非生物因子的影響，同時所有非生物因子影響的實質(zhì)是其能夠?qū)е虏煌x途徑的產(chǎn) CH4貢獻率發(fā)生改變。因此，研究不同環(huán)境下甲烷轉(zhuǎn)化的差異和機制，對于揭示 MCF 變化規(guī)律，明確碳減排計算過程中的控制指標，指導節(jié)能減排，控制溫室氣體排放具有重要意義。1.2 國內(nèi)外研究進展

第 1 章 緒論乙酸激酶和磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶，CoA-SH 轉(zhuǎn)化為乙酰-CoA 和磷酸，乙酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶 A 需要 Methanosarcina spp.中 ATP 的一個富含能量的磷酸鍵。Methanosaetaspp.利用乙酰-CoA 合成酶通過 2 分子的 ATP 催化乙酸轉(zhuǎn)為乙酰輔酶 A[35]，乙酰輔酶A再由一氧化碳脫氫酶-乙酰輔酶A催化，CO脫氫酶復合體催化乙酰輔酶A的斷裂，生成甲基基團、羧基基團和輔酶 A，這些物質(zhì)暫時與酶結(jié)合，然后羧基基團氧化形成 CO2，產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移給鐵氧化蛋白，甲基轉(zhuǎn)移給 H4SPT 生成甲烷[38]。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2713863