填埋场生物炭-甲烷氧化菌改性覆层的甲烷氧化特性

填埋场覆盖层是一种控制甲烷逃逸的最简单可行办法,然而一般的土质覆盖层工程特性差,与微生物甲烷氧化菌的甲烷氧化效能低。生物炭施加到土体中能够改变土体的微环境和微生物活性,进而可影响生物氧化甲烷的效能。为了研究生物炭-甲烷氧化菌改性土的甲烷氧化效率,使用甲烷检测仪,测定不同pH、甲烷浓度、土样干密度和生物炭掺量下,有菌和无菌土样的甲烷降低率的变化规律。结果表明：当无机盐培养液的pH值为7时,甲烷氧化菌具有较高的氧化效能;pH值为9时,甲烷氧化菌的甲烷降低小于pH值为7时。在一定初始甲烷浓度下,甲烷氧化菌的氧化效能随着初始甲烷浓度的增大而增大,但当初始甲烷浓度超过一定值时会抑制甲烷氧化菌的氧化效能,生物炭掺量和干密度均会影响甲烷氧化菌甲烷削减效能。随着生物炭掺量的增加,生物炭-甲烷氧化菌改性土的甲烷氧化效率是逐渐增大的;在干密度和生物炭掺量为1.20 g/cm³和15%时,无菌和有菌两种工况的甲烷降低率降幅较明显,分别为10.38%和39.72%。由此表明添加生物炭改变了填埋场覆盖层土体的微环境,提高了甲烷氧化菌的甲烷氧化效能,该研究对填埋场温室气体减排、大气污染防治及土体固碳减排具有重要学术意义和实际价值。     

水稻田土壤甲烷氧化活性及其环境影响因子的研究

报道环境因子土壤含水量、温度和pH对发育于河流沉积物母质的水稻田土黄松泥田土氧化外源甲烷活性影响的研究结果。表明土壤中存在有氧和无氧两个甲烷氧化系统。有氧甲烷氧化系统 (AMOS)最适条件下的氧化甲烷最大活性比无氧甲烷氧化系统(AAMOS)最适条件下的氧化甲烷最大活性高 1至 2倍。在土壤通气良好的条件下 ,AMOS占主导地位 ,在无氧或极微氧的土壤中 ,AAMOS起主要作用。影响活性的主要因子是土壤的分子氧含量、甲烷含量、水含量、温度和pH值。分子氧对AAMOS氧化甲烷的活性具有一定抑制作用 ,土壤中甲烷量和含水量对AAMOS氧化甲烷活性的影响比对AMOS氧化甲烷活性的影响更为强烈。土壤氧化甲烷的活性对温度较为敏感 ,其最适氧化甲烷的温度范围在 2 5～ 35℃之间。当土壤在 5 0℃培养的时间超过 6h后 ,土壤氧化外源甲烷的活性全部丧失 ,且不能在2 8℃下得到恢复。pH是另一个影响土壤氧化甲烷的重要环境因子。其最适pH范围在 6～ 7之间 ,pH低于 3或pH高于 9时 ,几乎完全丧失氧化外源甲烷的活性。     

温度对不同生态系统土壤甲烷氧化过程和甲烷氧化细菌的影响

温室气体的大量人为排放导致了近百年来的全球气候变化。甲烷是重要的温室气体,随着全球气温升高,甲烷排放量会随之增加,进一步加剧了全球温室效应。土壤是甲烷重要的源和汇,土壤中的甲烷氧化细菌在平衡甲烷的释放过程中发挥着关键作用。探究温度变化对土壤甲烷氧化能力的影响成为近年来的研究热点。本文综述了温度对土壤甲烷氧化过程以及甲烷氧化细菌的影响,分析了在不同温度下,各生态系统中的土壤甲烷氧化及甲烷氧化细菌响应特点和规律,比较了不同生态系统中土壤发生甲烷氧化的温度范围以及甲烷氧化菌株的生长温度范围。综述结果表明,不同生态系统能够发生甲烷氧化的温度范围不同;在能发生甲烷氧化的温度范围内,甲烷氧化速率随温度升高而增加;培养温度与土壤原位温度越相近时,甲烷氧化响应较为灵敏。与温度对甲烷氧化过程的影响类似,甲烷氧化细菌的丰度也随着温度升高而增加,并与增温幅度、优势甲烷氧化细菌的原位生长温度密切相关。土壤中的II型甲烷氧化细菌对温度较敏感,随着温度升高,II型甲烷氧化细菌丰度增加,因此,温度会通过影响甲烷氧化细菌的丰度和群落结构,从而影响甲烷氧化过程。但温度是否仅通过调控优势菌种更替来改变土壤甲烷氧化能力目前还尚未定论,未来需要进一步探究。本文讨论了土壤甲烷氧化过程对温度的响应及其微生物机制,可为全面解析全球变暖下的土壤甲烷氧化过程的变化提供参考。     

湿地变形菌门甲烷氧化菌群的缺氧能量代谢

甲烷氧化菌以甲烷作为碳源和能源，在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要角色。甲烷生物氧化过程跨越不同氧化还原生态位，近年来的研究表明，在湿地缺氧生态位下变形菌门甲烷氧化菌具有代谢潜力，但其能量代谢机制尚不清楚。本研究基于生物电化学技术、矿物学实验及微生物组学方法，结果表明变形菌门甲烷氧化菌主导的菌群具有直接和间接胞外电子传递潜力；在氧气耗尽时，甲烷氧化菌群可利用水铁矿作为电子受体完成能量代谢过程，缺氧体系中γ-Proteobacteria纲的甲烷氧化菌和非甲烷氧化微生物共同驱动铁矿还原。本研究探讨了变形菌门甲烷氧化菌主导菌群的缺氧能量代谢过程，拓展了反硝化厌氧甲烷氧化菌及厌氧甲烷氧化古菌主导的缺氧甲烷氧化理论，为甲烷生物控制提供了理论支持。     

稳定性碳同位素方法在稻田甲烷研究中的应用

稻田甲烷产生、氧化等过程不仅影响甲烷排放量,还影响其稳定性碳同位素组成;反之,稻田所排放甲烷的稳定性碳同位素组成也可用来定量研究甲烷的产生和氧化过程。20世纪80年代以来,国外已将稳定性碳同位素方法广泛应用在稻田甲烷的研究中。本文介绍了稳定性碳同位素方法的基本原理及其在稻田甲烷产生、氧化过程研究中的应用,指出了该方法在稻田甲烷研究中的不确定因素,为我国稻田甲烷的深入研究提供了新的有力手段。     

家畜肠道和粪便甲烷排放研究进展

家畜采食饲料在胃肠道发酵及其排泄粪便在处理贮存过程中会产生甲烷,目前每年的排放量超过全球甲烷排放总量的1／4。甲烷是主要的温室气体,会破坏大气臭氧层。减少家畜肠道和粪便的甲烷产量对提高饲料能量利用率和改善环境具有重要意义。该文在对目前反刍动物甲烷排放影响因素、肠道甲烷排放量和粪便甲烷排放量测定方法等方面的研究现状进行分析的基础上,就如何减少家畜肠道和粪便的甲烷产量提出了自己的看法。     

大于80年自然风干保存土壤中甲烷氧化菌的复苏与富集

本研究通过对长期保存的土壤标本中甲烷氧化菌的复苏和富集培养，明确了活性甲烷氧化菌类群及其氧化甲烷潜力，同时分析了对长期干旱胁迫有较强抗逆性的甲烷氧化菌种类。研究主要针对自然风干保存83～87年的采集自福建龙岩荒地、江西南昌水田、四川华阳旱地、甘肃榆中林地、青海湟源和青海都兰牧场的6个土壤标本进行了高浓度甲烷条件下的微宇宙培养，利用气相色谱法测定了甲烷气体浓度动态变化情况以研究其甲烷氧化能力；在获得富集培养物后提取基因组DNA，利用16S rRNA和pmo A基因高通量测序分析了整体微生物和甲烷氧化菌的群落结构；同时，利用两种基因的长片段克隆测序对优势甲烷氧化菌序列进行了系统发育分析。结果显示：经过短暂的复苏，6例土壤档案样品均表现出强烈的甲烷氧化活性，前两代富集液甲烷氧化速率较慢，甲烷氧化速率仅为1.4～3.8μg/(mL·h)，而第三代富集液的甲烷氧化速率达到了4.9～7.7μg/(mL·h)。其中，福建龙岩、江西南昌、青海都兰3个样品的富集物还可以将高浓度甲烷持续氧化到大气甲烷浓度(1.8μL/L)以下。高通量测序结果表明，6种富集物中甲烷氧化菌在细菌总量中的占比为39%～85%;...     

家畜肠道和粪便甲烷排放研究进展

家畜采食饲料在胃肠道发酵及其排泄粪便在处理贮存过程中会产生甲烷，目前每年的排放量超过全球甲烷排放总量的1／4。甲烷是主要的温室气体，会破坏大气臭氧层。减少家畜肠道和粪便的甲烷产量对提高饲料能量利用率和改善环境具有重要意义。该文在对目前反刍动物甲烷排放影响因素、肠道甲烷排放量和粪便甲烷排放量测定方法等方面的研究现状进行分析的基础上，就如何减少家畜肠道和粪便的甲烷产量提出了自己的看法。     

规模化猪场甲烷排放通量测量与分析

畜禽粪便是温室气体甲烷排放的一个重要来源,养殖场蓄粪池的甲烷排放量受排入粪便性质、外界温度、风速以及诸多因素影响。为了研究中国北方规模化猪场蓄粪池的甲烷排放潜力,本研究通过对北京市北郊一个代表性猪场甲烷排量的连续监测,得出春夏交替期间蓄粪池甲烷排放的变化规律。     

畜牧业中的甲烷排放及其减排调控技术

畜禽养殖规模的扩大使家畜胃肠道和粪尿的甲烷排放增加, 加剧了温室效应。本文通过分析中国畜牧业的现状、发展趋势及其对甲烷排放的影响以及甲烷的生成过程、产甲烷菌的结构特征和多样性, 提出减少胃肠道和粪尿甲烷排放的3种有效途径：一是改善日粮品质和结构以及培育高生产性能品种, 从而提高畜群生产力, 减少单位畜产品甲烷产量;二是通过调控瘤胃微生物区系, 抑制产甲烷菌的生长, 阻断甲烷生成途径, 降低个体甲烷产量;三是提出处理家畜粪尿的能源环保型和生态环保型管理模式, 以实现资源的充分利用, 减少甲烷排放。     

广西反刍动物甲烷排放总量的估算

根据政府间国际经济合作组织(OECD)和政府间气候变化专业委员会(IPCC)提供的计算方法,结合中国反刍动物的能量供应特点,对自1980年以来的广西反刍动物的甲烷排放量进行了估算,结果表明:反刍动物摄入总能的6.99%~7.17%通过甲烷排放损失掉,广西反刍动物的甲烷排放总量已经从1980年排放210.0 G g上升至2004年的534.1 G g,每年上升3.97%,速度较快,占全国反刍动物甲烷排放总量的5.90%左右。对估算结果作了分析,并结合广西反刍动物生产的发展趋势提出了建议。     

六氟化硫（SF6）示踪法测定反刍动物甲烷排放的技术

详细描述了用六氟化硫示踪法测定反刍动物甲烷排放的技术，包括基本原理、仪器准备和测试条件。还研究了适用于中国的采气设备、示踪参数、测定条件等技术，本技术经济实用且易操作，现正在试用。     

Livestock methane emission: From the individual grazing animal through national inventories to the global methane cycle

Methane is a potent greenhouse gas whose atmospheric abundance has grown 2.5-fold over three centuries, due in large part to agricultural expansion. The farming of ruminant livestock, which generate and emit methane during digestion (‘enteric fermentation’), is a leading contributor to this growth. This paper overviews the measurement or estimation of enteric methane emissions at a range of spatial scales. Measurement of individual animal emissions focuses particularly on grazing livestock for which the SF₆ tracer technique is uniquely appropriate. Gaining insight into factors that influence methane production requires that feed intake and feed properties be determined, enabling the methane emitted to be expressed per unit of intake. The latter expression is commonly encapsulated in the ‘methane conversion factor’, Y_m, an entity that enables small-scale methane emission estimates to be extrapolated to national and global enteric methane inventories. The principles of this extrapolation and sources of uncertainty are discussed, along with the significance of this global source within the global methane cycle. Micrometeorological and similar measurement techniques over intermediate spatial scales are also surveyed.     

放牧条件下白牦牛采食的季节性微调整及其效应

为研究牦牛采食模式季节性微调整对摄入的干物质及胃肠道甲烷排放的效应,于2014年9月至2015年9月进行了天祝白牦牛采食试验。结果表明：卷食模式的7?8月,蛋白质摄入最高（10.70%±0.38%）、粗纤维（18.68%±5.31%）和木质素摄入（1.89%±0.49%）最低、反刍间隔最短（1.1±0.3h）。啃食和卷食相结合的4月份半纤维素（15.68%±5.17%）和粗脂肪（1.08%±0.09%）摄入最低;5月份采食速度最快（1.15±0.16口/s）;6月份粗灰分摄入最高（18.29%±2.39%）、胎儿出生质量最大;9月份单口采食（1.97±0.27 g）、脂肪摄入量（3.77%±0.08%）、日增质量（97.43±5.18 g/d）、瘤胃甲烷气体排放最高（315.70±21.24 g/d）;10月份日采食总量（9749.40±2783.66g/d）、反刍速度最高（1.24±0.15团/min）;11月份半纤维素摄入最高（19.46%±2.58%）;12月反刍间隔最长（2.9±0.2h）。啃食模式的2月份单口采食量（0.95±0.14g）、采食速度（0.73±0.24口/s）、蛋白质（2.72%±0.49%）、粗灰分摄入（7.14%±3.25%）最低;3月份纤维素（39.25%±7.15%）、木质素（12.57%±0.46%）摄入量为最高,日采食量（4417.29±1114.56 g/d）、反刍速度（0.76±0.16团/min）、日增质量（?48.87±3.56 g/d）、瘤胃甲烷量排放（237.57±22.39 g/d）最低;该研究以解释牦牛生产过程中季节性甲烷排放节律。     

沼渣物理特性及沼渣纤维化学成分测定与分析

以反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气剩余物沼渣为研究对象,采用振动筛分分组、统计分析、图像处理和Fibertec 2010&M6纤维分析系统分析等方法,对沼渣的物理成分及沼渣纤维化学成分进行了测定分析。研究结果表明,沼渣主要由质量分数为64%的纤维、35%的非矿物质和1%的矿物质组成;沼渣纤维中纤维素、半纤维素、木质素、灰分及其它各成分的质量分数分别为44.8%、21.9%、15.6%和17.7%。从而得出结论：反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气后的沼渣中纤维素含量较水稻、小麦和玉米等作物秸秆的高5%以上,半纤维素含量较水稻、小麦和玉米等农作物秸秆低5%。研究结果为沼渣资源化、高值化利用技术研究奠定了基础。     

Inhibition of nitrification in soil by gaseous hydrocarbons

Summary Recent work has shown that gaseous hydrocarbons such as methane, ethane, and ethylene are competitive inhibitors of the monooxygenase enzyme responsible for oxidation of ammonia by chemoautotrophic nitrifying microorganisms such as Nitrosomonas europaea. Because methane, ethane, and ethylene are produced by microbial activity in soil, we studied the possibility that they may inhibit oxidation of ammonia by the nitrifying soil microorganisms. We found that all three of these gaseous hydrocarbons inhibited nitrification in soil and that their ability to inhibit nitrification decreased in the order: ethylene > ethane > methane. Ethylene was much more effective than ethane or methane for inhibiting nitrification of ammonium in soil, but it was much less effective than acetylene, and it seems unlikely that the amounts of ethylene produced in soils will be sufficient to cause significant inhibition of nitrification by soil microorganisms.     

Conversion of Carbohydrates in Herbaceous Crops during Anaerobic Digestion

The methane yields and conversion of pentoses (xylose) and hexoses (cellulose) in hemp, maize, and white lupin were studied over 30 days of anaerobic digestion. Preservation of hemp increased the methane yield by 23% compared with the fresh hemp. The increased methane yield of hemp was verified by the enhanced conversion of C6 sugars, increasing from 48% to about 70%, whereas the conversion of C5 sugars increased from only 9% to nearly 50%. The consumption of all carbohydrates in fresh maize was almost complete in the 30 days of anaerobic digestion. Hence, there was no major difference in carbohydrate consumption between fresh and preserved maize during biogas production. Fresh white lupin produced the highest methane yield (343 ± 33 dm(3) kg(-1) TS) in this work, mainly due to its highest amount of proteins. Conversion of C6 sugars was 80%, but that of C5 sugars was notably less at 46%.     

利用Kalman滤波和Hungarian算法的多目标奶牛嘴部跟踪及反刍监测

针对奶牛养殖场复杂环境下多目标奶牛嘴部自动跟踪及反刍监测的困难,该研究提出了一种基于嘴部区域跟踪的多目标奶牛反刍行为智能监测方法。在YOLOv4模型识别奶牛嘴部上下颚区域的基础上,以Kalman滤波和Hungarian算法跟踪上颚区域,并对同一奶牛目标的上颚和下颚区域进行关联匹配获取嘴部咀嚼曲线,以此获取反刍相关信息,从而实现多目标奶牛个体的嘴部跟踪和反刍行为监测;为解决奶牛快速摆头运动和棚舍栏杆遮挡引发奶牛标号变化的问题,提出未匹配跟踪框保持及扩大的方法。采集并选择实际养殖场环境下的反刍奶牛视频66段,对其中58段视频采取分帧操作得到图像,制作YOLOv4模型数据集,以其余8段视频验证跟踪方法和反刍行为判定方法的有效性。试验结果表明,YOLOv4模型对奶牛嘴部上颚、下颚区域的识别准确率分别为93.92%和92.46%;改进的跟踪算法可实现复杂环境下多目标奶牛嘴部区域的稳定跟踪,且有效解决了栏杆遮挡、快速摆头运动造成的奶牛标号变化现象,上下颚匹配率平均为99.89%,跟踪速度平均为31.85帧/s;由反刍行为判定方法获取的咀嚼次数正确率的平均值为96.93%,反刍时长误差的平均值为1.48 s。该研究可为实际养殖中多目标奶牛反刍行为的智能监测和分析提供参考,也可供其他群体动物运动部位的跟踪和行为监测借鉴。     

A Preliminary Comparative Study of Three Manure Composting Systems and their Influence on Process Parameters and Methane Emissions

Three cattle manure composting systems — windrowing, forced aeration with temperature feedback control and simple minimal intervention (manure stacks — “passive composting”) were compared with respect to specifically selected and operationally important process parameters including dry matter, moisture and volatile solids losses, volume reduction and bulk density changes. The windrowing method proved to be the most effective with respect to the above parameters. Preliminary investigations of methane from the three systems during processing showed that the minimal intervention method produced high levels of methane (> 4 percent) in the waste matrix. The intervention methods, of windrowing or forced aeration, drastically reduced methane output. The importance of animal manures in global agriculture, with reference to methane emissions and global warming, is briefly reviewed. The widespread reliance of manure disposal by the use of simple stacks, sometimes erroneously elevated to a processing status by use of the term “passive composting”, is questioned on ecological and environmental grounds. The data from this preliminary study shows the enormous impact that simple windrowing techniques can achieve in terms of organic waste conversion and product quality, concomittant with ecologically acceptable treatment routes.     

Methane uptake in Swedish forest soil in relation to liming and extra N-deposition

Methane uptake to soil was examined in individual chambers at three small forest catchments with different treatments, Control, Limed and Nitrex sites, where N-deposition was experimentally increased. The catchments consisted of both well-drained forest and wet sphagnum areas, and showed uptake of CH₄ from the ambient air. The lowest CH₄ uptakes were observed in the wet areas, where the different treatments did not influence the uptake rate. In the well-drained areas the CH₄ uptakes were 1.6, 1.4 and 0.6 kg ha^–1 year^–1 for the Limed, Control and Nitrex sites, respectively. The uptake of methane at the well-drained Nitrex site was statistically smaller than at the other well-drained catchments. Both acidification and increase in nitrogen in the soil, caused by the air-borne deposition, are the probable cause for the reduction in the methane uptake potential. Uptake of methane was correlated to soil water content or temperature for individual chambers at the well-drained sites. The uptake rate of methane in soil cores was largest in the 0- to 10-cm upper soil layer. The concentration of CH₄ in the soil was lower than the atmospheric concentration up to 30 cm depth, where methane production occurred. Besides acting as a sink for atmospheric methane, the oxidizing process in soil prevents the release of produced methane from deeper soil layers reaching the atmosphere. Received: 27 September 1996