本文選題：批量式沼氣發(fā)酵 + 16SrRNA基因�。� 參考：《云南師范大學》2016年博士論文

【摘要】：沼氣發(fā)酵工藝已在全世界被廣泛應用于解決環(huán)境、農業(yè)和能源問題,產生了巨大的生態(tài)、社會和經濟效益。中國是沼氣應用規(guī)模最大的國家,特別是小型戶用沼氣池在農村得到廣泛推廣。沼氣發(fā)酵過程需要經歷水解、酸化、產氫產乙酸和產甲烷4個生化過程,其中發(fā)揮關鍵作用的是一系列原核生物,包括水解酸化細菌、產氫產乙酸細菌和產甲烷古菌。這些生物大多數屬于未培養(yǎng)菌,采用純培養(yǎng)法研究其在發(fā)酵過程中的作用還不可行;而采用免培養(yǎng)的分子生態(tài)學手段特別是基于16S r RNA基因分析的一系列方法研究沼氣發(fā)酵微生物類群的組成、結構和動態(tài)已被廣泛應用。目前,對戶用沼氣池微生物群落組成、結構和演替及其與產氣之間關系等生態(tài)學問題的研究報道很少,因此,研究戶用沼氣池的原核生物群落的相關生態(tài)學問題具有重要的理論和應用價值。為此,本研究從云南亞熱帶地區(qū)的農村戶用沼氣池中采集了污泥以及農戶家的畜禽糞便,在實驗室采用批量式工藝模擬該氣候區(qū)域的戶用沼氣池發(fā)酵過程。應用軟件SPSS將16S rRNA基因擴增子的DGGE和Illumina高通量測序結果與環(huán)境因子相結合,深入分析了批式發(fā)酵過程中該區(qū)域戶用沼氣池中的原核生物群落結構、功能,以及它們與環(huán)境因子間的相關性,并嘗試將群落結構與代謝路徑相關聯,結果如下。在15℃批量式發(fā)酵條件下,細菌和古菌類群結構都不斷變化,前24 d變化很大,32 56 d之比較穩(wěn)定,64 d后變化較大;多數優(yōu)勢類群始終保持優(yōu)勢,且在產氣高峰期時優(yōu)勢菌群的豐度進一步提高。在門水平上,細菌主要類群是厚壁菌門(Firmicutes),其次是擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria);古菌的優(yōu)勢菌群是廣古菌門(Euryarchaeota),其次是泉古菌門(Crenarchaeota)。在種水平上,平均豐度前10位的細菌類群為:OTU1(與Clostridium sartagoforme相似度97%),OTU209(與Clostridium sartagoforme相似度98%),OTU2(與Terrisporobacter glycolicus相似度99%),OTU4(與Clostridium butyricum相似度100%),OTU3(與Alkaliflexus imshenetskii相似度93%),OTU5(與Advenella mimigardefordensis相似度97%),OTU200(與Sphingomonas sp.相似度100%),OTU366(與Clostridium beijerinckii相似度98%),OTU6(與Turicibacter sanguinis相似度99%),OTU8(與Clostridium sp.Ade.TY相似度為99%)。平均豐度前5位的古菌優(yōu)勢菌群是OTU1(與Staphylothermus hellenicus相似度:82%),OTU7(與Methanobacterium formicicum相似度96%),OTU3(與Methanobacterium formicicum相似度96%),OTU5(與Staphylothermus hellenicus相似度82%),OTU2(與Methanosaeta concilii相似度100%)。不同溫度(9 55℃)的批量式發(fā)酵結果表明,隨著溫度的升高,微生物群落結構發(fā)生了明顯的變化,多數主要優(yōu)勢類群豐度減少,少數升高。在9 35℃期間,多數優(yōu)勢類群的優(yōu)勢地位基本不變;45℃時,與9 35℃的相比,明顯不同;55℃時,與9 35℃、45℃的相比,顯著改變。門水平上的優(yōu)勢菌群與15℃批量式發(fā)酵的相似。種水平上,平均豐度前10位的細菌為:otu1(與clostridiumsartagoforme相似度97%)、otu2(與terrisporobacterglycolicus相似度:99%)、otu5(與candidatuscloacamonasacidaminovorans相似度90%)、otu620(與bifermentans相似度98%)、otu3(與zhouiaamylolytica相似度86%)、otu9(與clostridiumsticklandii相似度90%),otu6(與clostridiumbutyricum相似度100%)、otu450(與galbibactermarinus相似度86%)。古菌的優(yōu)勢類群:otu1(與methanocorpusculumlabreanum相似度99%)、otu6(與methanosarcinathermophila相似度100%)、otu2(與staphylothermushellenicus相似度82%)、otu3(與methanosaetaconcilii相似度100%)(與methanobrevibacter.sp.相似度84%)。15 35℃期間的微生物群落結構和代謝路徑很相似,因此,自然條件下的溫度變化(15 25℃)對云南亞熱帶戶用沼氣池原核生物群落結構的影響很小;當溫度從15℃降到9℃時,代謝路徑出現了一定差異(主要體現為:9℃時幾乎所有甲烷來源于氫還原二氧化碳途徑;而15 35℃的甲烷來源以氫還原二氧化碳途徑為主,乙酸氧化途徑為輔);當溫度從35℃升高到45℃時,代謝路徑出現一定差異(主要體現為:與35℃的相比,水解細菌、產氫產乙酸菌和產甲烷菌種類有所增加);當溫度從45℃升高到55℃時,代謝路徑差異顯著(主要體現為:與15 45℃相比,水解細菌種類有所增加,發(fā)酵產酸菌的種類減少,產乙酸菌不同,產甲烷菌不同(以乙酸氧化途徑為主、氫還原二氧化碳為輔))。基于上述分析可以得出:15 35℃期間的沼氣發(fā)酵微生物類群和代謝路徑相似;45℃是發(fā)酵微生物群落結構和代謝路徑從中溫向高溫轉變的轉折點;9℃是微生物群落和代謝路徑與15 35℃期間的有所不同�？傮w而言,批量式工藝中,⑴重復間的原核生物群落的演替和非生物因子的變化是基本同步的;初始原核生物群落與發(fā)酵過程中的存在顯著不同;相同溫度條件下,發(fā)酵過程中微生物群落始終在變化;不同溫度條件下,各溫度發(fā)酵的產氣高峰期發(fā)揮關鍵作用的優(yōu)勢類群會明顯不同甚至根本不同。⑵基于16srrna基因高通量測序的otu及其功能分析,可以較好的將群落結構與代謝路徑關聯起來。據此得出:對于糞便等富含木質纖維素類原料的沼氣發(fā)酵,雖然微生物種類非常豐富(超過400個種水平的類群),但發(fā)揮關鍵作用的是極少數優(yōu)勢類群(不超過20種),且這些關鍵類群多數與可培養(yǎng)菌非常相似。⑶優(yōu)勢細菌類群中豐度最大的一般屬于纖維素、半纖維素水解菌,產氫產乙酸菌種類少、豐度較低。少數優(yōu)勢細菌和古菌之間形成了較穩(wěn)定組合,在發(fā)酵中發(fā)揮關鍵或主導作用,不同發(fā)酵時期和溫度的組合會有所不同甚至明顯不同。⑷細菌和古菌中的個別優(yōu)勢類群與沼氣生產速率之間存在極顯著或顯著的正相關性,具有作為發(fā)酵好壞標示物的潛力。
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【學位授予單位】：云南師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S216.4

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 徐彥勝;阮志勇;劉小飛;胡國全;;應用RFLP和DGGE技術對沼氣池中產甲烷菌多樣性的研究[J];西南農業(yè)學報;2010年04期

相關博士學位論文 前1條

1 趙光;兩段式厭氧工藝產甲烷發(fā)酵特性及微生物生態(tài)調控機制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

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本文編號：1874615