發(fā)布時(shí)間：2018-05-11 15:59

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

【摘要】：沼氣發(fā)酵工藝已在全世界被廣泛應(yīng)用于解決環(huán)境、農(nóng)業(yè)和能源問(wèn)題,產(chǎn)生了巨大的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。中國(guó)是沼氣應(yīng)用規(guī)模最大的國(guó)家,特別是小型戶(hù)用沼氣池在農(nóng)村得到廣泛推廣。沼氣發(fā)酵過(guò)程需要經(jīng)歷水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷4個(gè)生化過(guò)程,其中發(fā)揮關(guān)鍵作用的是一系列原核生物,包括水解酸化細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌。這些生物大多數(shù)屬于未培養(yǎng)菌,采用純培養(yǎng)法研究其在發(fā)酵過(guò)程中的作用還不可行;而采用免培養(yǎng)的分子生態(tài)學(xué)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(lèi)群的組成、結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)已被廣泛應(yīng)用。目前,對(duì)戶(hù)用沼氣池微生物群落組成、結(jié)構(gòu)和演替及其與產(chǎn)氣之間關(guān)系等生態(tài)學(xué)問(wèn)題的研究報(bào)道很少,因此,研究戶(hù)用沼氣池的原核生物群落的相關(guān)生態(tài)學(xué)問(wèn)題具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。為此,本研究從云南亞熱帶地區(qū)的農(nóng)村戶(hù)用沼氣池中采集了污泥以及農(nóng)戶(hù)家的畜禽糞便,在實(shí)驗(yàn)室采用批量式工藝模擬該氣候區(qū)域的戶(hù)用沼氣池發(fā)酵過(guò)程。應(yīng)用軟件SPSS將16S rRNA基因擴(kuò)增子的DGGE和Illumina高通量測(cè)序結(jié)果與環(huán)境因子相結(jié)合,深入分析了批式發(fā)酵過(guò)程中該區(qū)域戶(hù)用沼氣池中的原核生物群落結(jié)構(gòu)、功能,以及它們與環(huán)境因子間的相關(guān)性,并嘗試將群落結(jié)構(gòu)與代謝路徑相關(guān)聯(lián),結(jié)果如下。在15℃批量式發(fā)酵條件下,細(xì)菌和古菌類(lèi)群結(jié)構(gòu)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(shù)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群始終保持優(yōu)勢(shì),且在產(chǎn)氣高峰期時(shí)優(yōu)勢(shì)菌群的豐度進(jìn)一步提高。在門(mén)水平上,細(xì)菌主要類(lèi)群是厚壁菌門(mén)(Firmicutes),其次是擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、變形菌門(mén)(Proteobacteria);古菌的優(yōu)勢(shì)菌群是廣古菌門(mén)(Euryarchaeota),其次是泉古菌門(mén)(Crenarchaeota)。在種水平上,平均豐度前10位的細(xì)菌類(lèi)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(shì)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(jié)果表明,隨著溫度的升高,微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化,多數(shù)主要優(yōu)勢(shì)類(lèi)群豐度減少,少數(shù)升高。在9 35℃期間,多數(shù)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群的優(yōu)勢(shì)地位基本不變;45℃時(shí),與9 35℃的相比,明顯不同;55℃時(shí),與9 35℃、45℃的相比,顯著改變。門(mén)水平上的優(yōu)勢(shì)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(xì)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(shì)類(lèi)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(jié)構(gòu)和代謝路徑很相似,因此,自然條件下的溫度變化(15 25℃)對(duì)云南亞熱帶戶(hù)用沼氣池原核生物群落結(jié)構(gòu)的影響很小;當(dāng)溫度從15℃降到9℃時(shí),代謝路徑出現(xiàn)了一定差異(主要體現(xiàn)為:9℃時(shí)幾乎所有甲烷來(lái)源于氫還原二氧化碳途徑;而15 35℃的甲烷來(lái)源以氫還原二氧化碳途徑為主,乙酸氧化途徑為輔);當(dāng)溫度從35℃升高到45℃時(shí),代謝路徑出現(xiàn)一定差異(主要體現(xiàn)為:與35℃的相比,水解細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌種類(lèi)有所增加);當(dāng)溫度從45℃升高到55℃時(shí),代謝路徑差異顯著(主要體現(xiàn)為:與15 45℃相比,水解細(xì)菌種類(lèi)有所增加,發(fā)酵產(chǎn)酸菌的種類(lèi)減少,產(chǎn)乙酸菌不同,產(chǎn)甲烷菌不同(以乙酸氧化途徑為主、氫還原二氧化碳為輔))�；�于上述分析可以得出:15 35℃期間的沼氣發(fā)酵微生物類(lèi)群和代謝路徑相似;45℃是發(fā)酵微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝路徑從中溫向高溫轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點(diǎn);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(fù)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(guò)程中的存在顯著不同;相同溫度條件下,發(fā)酵過(guò)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(chǎn)氣高峰期發(fā)揮關(guān)鍵作用的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群會(huì)明顯不同甚至根本不同。⑵基于16srrna基因高通量測(cè)序的otu及其功能分析,可以較好的將群落結(jié)構(gòu)與代謝路徑關(guān)聯(lián)起來(lái)。據(jù)此得出:對(duì)于糞便等富含木質(zhì)纖維素類(lèi)原料的沼氣發(fā)酵,雖然微生物種類(lèi)非常豐富(超過(guò)400個(gè)種水平的類(lèi)群),但發(fā)揮關(guān)鍵作用的是極少數(shù)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群(不超過(guò)20種),且這些關(guān)鍵類(lèi)群多數(shù)與可培養(yǎng)菌非常相似。⑶優(yōu)勢(shì)細(xì)菌類(lèi)群中豐度最大的一般屬于纖維素、半纖維素水解菌,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌種類(lèi)少、豐度較低。少數(shù)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌和古菌之間形成了較穩(wěn)定組合,在發(fā)酵中發(fā)揮關(guān)鍵或主導(dǎo)作用,不同發(fā)酵時(shí)期和溫度的組合會(huì)有所不同甚至明顯不同。⑷細(xì)菌和古菌中的個(gè)別優(yōu)勢(shì)類(lèi)群與沼氣生產(chǎn)速率之間存在極顯著或顯著的正相關(guān)性,具有作為發(fā)酵好壞標(biāo)示物的潛力。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：云南師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：S216.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1874615