微生物电催化转化反应器(BECR)转化CO_2合成有机化合物

针对大量CO_2所带来的环境问题,构建BECR(Bioelectrochemical catalysis reactor)反应系统,将电化学还原与微生物催化还原相结合,转化CO_2合成有机化合物.从牛粪中分离筛选出产氢菌(Clostridium sp.S1),确定最优产氢条件.将筛选好的菌种接入BECR电催化转化反应器,通入CO_2,外加恒定阴极电势,检测合成的有机化合物.结果表明,反应装置接入电化学工作站进行CV测试时,在-0.7 V时出现还原峰发生还原反应,恒电位仪恒定阴极电势,合成的化合物为甲醇和乙酸.在24 h时甲醇和乙酸的积累量达到最大分别为3.096 mmol·L~(-1)和2.01 mmol·L~(-1).在电化学和微生物的共同作用下,实现了对CO_2的还原过程,并合成了有机化合物.     

三种工业废水颗粒污泥的化学及微生物学组成

对ＵＡＳＢ反应器中处理酒精废醪、木材纤维板热压废水及石灰法造纸黑液颗粒污泥的化学及微生物组成进行了比较研究，结果表明：无机元素在颗粒污泥中的沉积与废水组成及运行条件密切相关；接种污泥中加入少量的颗粒污泥可作为新生颗粒污泥的生长核心；胞外多聚物有利于颗粒污泥的形成与稳定，其产量与颗粒污泥的生物量有关，其分布有一定的区域性；颗粒污泥的微生物组成与废水水质、运行温度及颗粒污泥所处的生理阶段等因素密切相关；丝状细菌，特别是索氏甲烷丝菌类似菌在颗粒污泥中起着重要作用；污泥颗粒化过程中各类生理菌群的增殖次序与其在厌氧消化过程中的功能次序一致。当发酵细菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌和产甲烷菌在每ｍＬ颗粒污泥中分别达到１０７－１０、１０５－７、１０６－８和１０５－６个时，可构成一个较稳定的厌氧微生态系统。     

温度对厨余垃圾高温厌氧消化及微生物群落的影响

使用全混流反应器(CSTR),研究53℃和60℃条件下厨余垃圾的处理效果,同时利用T-RFLP(末端限制性片段长度多态性)以及16S rRNA基因克隆文库的方法,对微生物群落结构进行跟踪解析.结果表明,在温度为53℃、挥发性总固体(VTS)负荷为4 g L-1 d-1时,处理性能稳定,有机酸积累少,产气率约为900 mL/g VTS;当温度升高至60℃时,TOC和有机酸积累,产气率显著下降.微生物群落分析结果表明,当温度从53℃升高至60℃后,细菌群落从以发酵产酸菌群为主转变为以各类发酵菌和有机酸氧化菌为主,产甲烷菌群落中乙酸营养型产甲烷菌比例下降,而氢营养型产甲烷菌比例升高.运行温度从53℃升高至60℃后厌氧处理能力下降的主要原因是乙酸营养型产甲烷菌比例下降,乙酸的消耗需要通过乙酸氧化菌和氢营养型的产甲烷菌的协同作用,产甲烷速率降低,从而导致处理能力下降.图3表3参50     

氯化钠对乳酸合成己酸效能及功能微生物群落的影响

探究己酸功能菌群对NaCl的耐受浓度,以及在不同NaCl浓度条件下的己酸合成效能,为评估餐厨垃圾转化为己酸的潜力提供参考.为探究己酸功能菌群对NaCl的耐受浓度,以及在不同NaCl浓度条件下的己酸合成效能,从而为评估餐厨垃圾转化为己酸的潜力提供参考.通过批式试验研究不同浓度的NaCl(0、2、6、10、20和30 g/L)对以梭菌属第四族(Clostridium Ⅳ)为核心的混合菌群发酵乳酸合成己酸的效能以及群落结构的影响.结果表明,随着NaCl浓度从2-10 g/L的升高,己酸合成效能呈下降趋势,而短链脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸和戊酸)的浓度呈上升趋势;当NaCl浓度达到20g/L时,己酸合成停止,丙酸、丁酸和戊酸成为主要产物;当NaCl浓度达到30g/L时,丙酸成为最主要的产物,细胞浓度和总ATP浓度显著下降.对己酸发酵菌群的多样性分析结果表明,当NaCl浓度提高至10 g/L时,在系统分类的属水平上,与产己酸相关的Clostridium Ⅳ在整个菌群中的相对丰度由47.78%(空白)下降至35.06%(10 g/L),而另一种可能与产己酸相关的菌Pseudoramibacter比例则由0.04%上升至0.17%. NaCl浓度达到30 g/L时,与丙酸合成相关的菌Propionibacterium的相对丰度从0.006%(空白)上升至0.09%.本研究表明,对于乳酸合成己酸系统来说,NaCl是一种不利的影响因素,当NaCl浓度在6 g/L及以下时,己酸菌可以保持其功能,即将乳酸主要转化为己酸;当NaCl浓度提高至10 g/L及以上时,己酸合成受到抑制;结果可为羧酸平台技术应用于餐厨垃圾处理的实际工程提供科学依据和理论支撑.(图6表1参53)     

乳酸合成丁酸的工艺构建及其条件优化

为构建一套乳酸合成丁酸的工艺,在开放体系中,驯化培养丁酸合成混合菌,并对发酵工艺条件进行系统研究和优化.首先通过单因素试验设计确定各因素的最佳水平范围.结果表明,p H值控制在5.5-7.5之间,乳酸浓度控制在20-40 g/L之间,外加乙酸浓度控制在1.5-3.5 g/L之间可以得到丁酸的最大产率.在此基础上,进一步对p H值、乳酸浓度和外加乙酸浓度进行三因素三水平的Box-Behnken试验设计及响应面法分析,以丁酸产率作为响应值,探究影响丁酸产率的各因素之间相互作用.通过方差分析显著性及求解回归方程得到最优发酵工艺条件:在p H值为6.72,乳酸浓度为27.83 g/L,外加乙酸浓度为2.79 g/L时,丁酸最高产率理论可达2.47 g L~(-1) d~(-1).验证试验得到的结果是丁酸产率为2.43g L~(-1) d~(-1),与预测值接近,较优化前产率提高了47.27%.此外,利用高通量测序技术(Miseq)对微生物群落结构进行分析,发现混合微生物中占优势的菌群是Clostridium sensustricto、Lactobacillus与Clostridium IV,其丰度分别为69.35%、15.41%与10.05%.利用本发酵新工艺能够得到相对稳定的丁酸产率,因此在工业中具有广阔的应用前景.     

基于微生物电化学技术的萘普生高盐废水处理

制药废水是环境中萘普生的主要来源之一,因废水中含盐量较高,传统生物法对其中萘普生的去除效果有限,因此研究如何快速去除制药废水中的萘普生污染以及如何获得高盐废水中快速降解萘普生的功能菌群对生态环境具有重要意义.本研究基于长期驯化的混菌,研究微生物电化学技术在0.3%—3.0%不同盐度下对萘普生的去除效果.驯化后的混菌在108 h对8 mg·L~(-1)萘普生的去除率达到75%以上,并且在3.0%的高盐度下经过108 h去除率可达98%.通过高通量测序技术分析发现,发现相比于原始接种源,在门水平上,驯化后的微生物群落中厚壁菌门(Firmuicutes)和拟杆菌门(Bacteroidales)相对丰度显著增加;而在属水平,在0.3%—1.0%盐度下,真细菌属(Eubacterium spp.)的丰度显著增加至27.9%—50.5%,Bacteroides和Dysgonomonas等也分别从0.05%、0.03%增加至2.7%—6.8%和10.0%—19.9%;值得注意的是,Castellaniella和Pseudomonas在3.0%的高盐度下显著富集至6.9%和37.3%.本研究表明,Eubacterium、Dysgonomonas、Bacteroides等菌属能够耐受较低的盐度(0.3%—1.0%),且可能在降解转化萘普生体系中发挥作用;Castellaniella和Pseudomonas会在3.0%的高盐环境下富集,可能是两类较好耐盐性且具有较强萘普生降解能力的功能微生物.     

CO厌氧发酵制氢过程中的微生物特性及其影响因素

以发酵液中溶解的一氧化碳(CO)为底物,研究高温嗜热菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)厌氧发酵制氢的工艺过程.通过C.hydrogenoformans菌的生长规律、絮凝能力和反应特性等实验研究,建立菌株的生长规律模型,得出微生物衰减系数和最大比生长速率.结果表明,C.hydrogenoformans菌产氢率高,絮凝效果好,用于连续CO生物发酵制氢工艺是可行的.对发酵制氢过程的影响因素进行考察,得出最佳食微比及CO对发酵制氢过程的抑制浓度等过程参数,为有效开发CO厌氧生物发酵制氢的工艺路线提供了参考依据.图4表2参17     

添加乙酸对干玉米秸秆与白菜废弃物混贮品质的影响

为促进干秸秆的跨季节贮存及尾菜资源化利用,利用青贮原理将干玉米秸秆与白菜废弃物进行混合贮存发酵,探讨不同添加量乙酸对二者混贮发酵品质的影响,并通过Miseq高通量测序技术解析发酵过程中的微生物多样性.设置ME组(无乙酸添加)为对照组,AA组(添加量0.3%)和AB组(添加量0.6%)为2个乙酸处理组,18±1℃恒温密闭混贮60 d,间隔30 d分析其化学组分、发酵品质及微生物多样性.结果表明,AA组贮存60 d时的干物质、可溶性碳水化合物和粗蛋白含量均显著高于ME组,酸性洗涤纤维和酸性洗涤木质素含量显著下降,半纤维素、纤维素和综纤维素含量显著增加. AB组在30 d和60 d时pH均显著低于ME组,乳酸含量在30 d时显著增加,60 d时显著降低.AA组和AB组中乳酸/乙酸、乳酸/总有机酸及氨氮/总氮值均低于ME组.混贮发酵期间ME组、AA组和AB组的门水平细菌主要为Proteobacteria和Firmicutes,属水平细菌包括Lactobacillus、Paralactobacillus、Enterobacter、Pediococcus、Flavobacterium、Chryseobacterium、Pedobacter、Sphingomonadaceae、Erwinia等,其中Lactobacillus、Paralactobacillus和Enterobacter为优势菌.与ME组相比,AA组和AB组中腐败菌Enterobacter丰度呈下降趋势;2个乙酸处理组的总乳酸菌丰度高于ME组,但乳酸菌多样性较ME组有所减少,主要包括Lactobacillus、Paralactobacillus和Pediococcus等乳酸菌属.总之,干玉米秸秆与白菜废弃物能以适宜比例混贮60 d不变质,尽管添加乙酸后的乳酸发酵强度有所抑制,但低剂量乙酸更有助于保存干物质、可溶性碳水化合物、粗蛋白、综纤维素等有机组分,建议乙酸添加量为0.3%.     

温度对干玉米秸秆与废弃白菜混贮发酵品质的影响和微生物菌群解析

为研究干玉米秸秆和废弃白菜在不同季节温度条件下的混合贮存品质差异性,参考西北地区气候条件设置低温(-3±1℃,LX)、室温(18±1℃,RX)和中温(34±1℃,MX)3个处理组,连续混贮90 d,间隔一定时间分析感官质量、有机组分和发酵品质,并利用Illumina Miseq高通量测序技术考察混贮发酵期间微生物菌群的动态变化.结果表明,混贮30 d时,RX和MX组中干物质和乳酸含量显著高于LX组(P 0.05),氨态氮/总氮和可溶性碳水化合物、纤维素含量显著低于LX组(P 0.05).贮存90 d时,RX组的中性洗涤纤维含量、pH值及氨态氮/总氮均显著低于LX和MX组(P 0.05).贮存3个月期间,RX组的乳酸/乙酸和乳酸/总有机酸比值始终高于LX组和MX组,乳酸发酵强度较高;3个处理组的生物降解潜力均高于原料,丁酸含量很低,感官质量均为优等,费氏评分等级为好或很好,均达到优良贮存品质.微生物群落结果显示,3个处理组中门水平优势菌为变形菌(Proteobacteria)和厚壁菌(Firmicutes),且LX和RX组中的厚壁菌门相对丰度较原料明显升高;属水平优势菌为肠杆菌(Enterobacteriaceae)、乳杆菌(Lactobacillus)、肉食杆菌(Carnobacterium)及明串珠菌(Leuconostoc),且LX和RX组中的肠杆菌等腐败菌相对丰度低于MX组,乳杆菌、明串珠菌和肉食杆菌等乳酸细菌的相对丰度高于MX组.本研究表明在室温(18±1℃)条件下混贮更有利于提高乳酸发酵强度,抑制腐败菌生长,从而使有机酸和有机组分得到优化重组,实现较高贮存品质.结果可为干玉米秸秆和废弃白菜在不同季节的处理利用提供理论基础.(图5表9参36)     

食物转化期的大熊猫幼仔肠道细菌结构衍变及其与纤维素酶活性的相关性

大熊猫是具有植食性转化阶段的特殊的食肉动物,但本身对纤维素的消化能力极低,主要依赖于肠道微生物的作用;处于食物转化阶段的大熊猫幼仔是敏感而脆弱的,对纤维素的适应消化能力也是保证其存活的关键.通过分析食物转化期大熊猫幼仔粪便中纤维素酶活性和肠道细菌多样性的变化,探讨大熊猫幼仔食物转化阶段肠道细菌性质和纤维素酶活性的相关性,以期为优化食物转化期大熊猫的饲养技术提供一定的理论指导.结果显示,大熊猫幼仔食物转化阶段纤维素酶活性变化较大,特别是增加竹子的摄入量后,大熊猫个体纤维素酶活性普遍显著增加.大熊猫肠道细菌的结构和数量在食物转化阶段也存在较大变化,且与幼仔消化纤维素密切相关,如Lactobacillus、Romboutsia等典型的肉食动物肠道菌的丰度在大熊猫幼仔肠道中数量减少,而纤维素降解菌属Cellulosiyticum的丰度明显增加,特别是大熊猫肠道优势菌属Streptococcus也表现出与其纤维素消化的密切联系.总体而言,食物转化阶段的大熊猫幼仔对纤维素有一定的适应性消化能力,其和肠道细菌菌群的演变有较大的相关性.(图3表6参30)     

接种异常毕赤酵母对干玉米秸秆与废弃白菜混贮品质的动态影响及微生物群落结构分析

为提升干玉米秸秆与废弃白菜的混贮品质,研究接种异常毕赤酵母(Pichia anomala)对干玉米秸秆与废弃白菜混贮发酵品质的动态影响.试验设置无添加剂对照组(ME)和微生物处理组(PA),连续恒温贮存发酵170 d,间隔一定时间分析感官质量、有机组分和发酵品质,并利用高通量测序技术考察发酵过程中细菌群落的动态变化.结果显示:与ME组相比,贮存170 d期间PA组中的干物质、粗蛋白、可溶性碳水化合物和乳酸含量显著增加(P 0.05),p H值、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量显著降低(P 0.05),乳酸/乙酸和乳酸/总有机酸比值得到优化.细菌群落结构显示:PA组中门水平优势菌为厚壁菌(Firmicutes)和变形菌(Proteobacteria),属水平优势菌为乳杆菌(Lactobacillus)和类乳杆菌(Paralactobacillu).接种异常毕赤酵母能使肠杆菌(Enterobacter)、假单胞菌(Pseudomonas)和黄杆菌(Flavobacterium)等腐败菌的相对丰度逐步降低,130 d时肠杆菌消失,有益乳酸菌的总丰度始终保持在50%以上.本研究表明接种异常毕赤酵母能改善干玉米秸秆与白菜的混贮发酵品质,使干秸秆能保质贮存近半年时间,结果可为其资源化利用提供原料保障.(图5表5参38)     

新型己酸菌强化对人工窖泥培养过程中原核微生物群落结构及酸、酯含量的影响

人工窖泥对于浓香型白酒的生产酿造起着至关重要的作用.前期研究中首次分离到能够利用乳酸合成己酸的新型产己酸菌,一种瘤胃梭菌(Clostridium sp. CPC-11,CGMCC No. 9926),该菌属于瘤胃菌科(Ruminococcaceae)中Clostridium cluster Ⅳ的一个新种.在此基础上,通过16S rDNA高通量测序技术(MiSeq)结合有机酸与酯类含量分析研究CPC-11在强化人工窖泥的制作过程中对窖泥微生物群落结构和理化指标的影响.结果显示,经35 d培养,窖泥微生物群落多样性显著降低,表明窖泥中杂菌不断减少,有益菌不断增加.其中,芽孢乳杆菌科(Sporolactobacillaceae)与瘤胃菌科(Ruminococcaceae)成为最主要的优势类群,丰度分别为66.2%和22.8%.窖泥中己酸的含量在前21天不断升高,但在35 d时显著下降(P 0.05);乳酸和乙醇呈不断升高趋势,而乙酸则缓慢下降,丁酸未有显著改变.酯类分析显示,四大酯类(乙酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙脂和己酸乙酯)积累量均呈不断增加趋势.冗余分析(RDA)结果显示,窖泥中己酸含量与瘤胃梭菌(Clostridium cluster IV)呈正相关,与芽孢乳杆菌呈负相关;乳酸含量与芽孢乳杆菌、乳酸杆菌呈正相关.本研究表明新型己酸菌的强化可以在35 d内使己酸菌的相对丰度保持在22.8%,并显著提高己酸乙酯在窖泥中的累积量,促进窖泥快速成熟;结果可为改进人工窖泥的制作方法和提高人工窖泥的品质提供理论依据.(图5表3参31)     

尿液微生物燃料电池研究

尿液是市政污水中氮、磷与COD的主要来源,将尿液从污水系统中分离单独处理可以缓解城市污水处理厂有机物、营养素的超负荷难题.以源分离的尿液为底物,研究微生物燃料电池的产电特征及其污染物去除效果,并进一步考察影响系统产电性能的因素.结果显示:在超过6个月的试验过程中,伴随有机物和总氮的减少,系统可保持长期稳定的功率输出.COD和总氮的最高去除率为92.9%和65.6%,系统最大输出功率为388.2 m W/m2,这也是迄今尿液微生物燃料电池所获得的最高功率.阳极碳毡表面菌群分析显示具有电化学活性的Arcobacter和具有发酵功能的Bacteroides为优势菌群.氨氮积累、微生物淤积以及尿液中的物质沉淀等是影响尿液微生物燃料电池性能的主要因素.研究结果表明,尿液微生物燃料电池高效地实现了在污染物去除的同时获得高输出功率,体系中Arcobacter是一种新型的胞外产电菌,其强电化学作用可利用在生物电能的获得过程中.     

超嗜热神袍菌介导的碳水化合物转化

超嗜热神袍菌生活在高温海洋环境或地下油田,最适生长温度为76-82℃,是分解和代谢复杂多糖能力最强、生长温度最高的以H2、CO2、乙酸为主要代谢产物的细菌.本文以海栖热袍菌为例对超嗜热神袍菌介导的碳水化合物转化进行综述.超嗜热神袍菌具有多重的碳代谢中心途径以及高活性的能量代谢和发酵途径,显现出极强的碳水化合物转化能力.超嗜热神袍菌能够分解和利用各种多聚糖,海栖热袍菌基因组中与糖和多糖的代谢有关的编码基因占7%,会产生各种海藻水解酶、纤维素酶、淀粉酶、果胶裂解酶和半纤维素酶等,这种完善的多聚糖水解酶系能够使超嗜热神袍菌对其生态环境可能出现的各种复杂碳水化合物进行水解和利用.通过研究超嗜热神袍菌在极端高温下迅速转化难降解多糖为发酵产物的机理,可以为生物质的综合利用提供必要的理论支持,而其产生的具有热稳定性和高活性的酶在工业生产中具有巨大的应用潜力.     

白蚁肠道微生物多样性和作用研究进展

白蚁在热带森林系统碳循环和氮循环中起重要作用.白蚁肠道中的微生物包括原生生物、细菌、古菌和真菌,帮助白蚁消化食物.本文主要概括近年来白蚁肠道微生物多样性研究方面的新进展,介绍白蚁肠道微生物的组成和作用.白蚁种类繁多,根据其后肠内是否含有原生生物,分为低等白蚁和高等白蚁两大类群.不同白蚁食性不同,其肠道微生物的组成也不同.白蚁肠道微生物对于宿主具有重要的作用,帮助宿主分解木质纤维素,发酵产生乙酸、甲烷和氢气(中间产物),除此之外,在热带以土壤为食白蚁的腐殖质矿化作用有助于氮循环.白蚁与微生物的共生关系是目前较受关注的研究热点,不仅有助于人们了解白蚁共生菌群落间的互作及其与宿主间的关系,而且可能为工业生产纤维素乙醇提供潜在的方法.分离鉴定方法和高通量测序技术的发展将有助于进一步深入了解白蚁肠道微生物的结构组成和功能.     

纤维素酶对干玉米秸秆/白菜废弃物混贮品质的影响及细菌群落解析

为实现干秸秆的跨季节保质贮存,并改善其湿法贮存品质,研究纤维素酶添加量对干玉米秸秆(DMS)与白菜废弃物(CW)混贮发酵品质的影响,解析贮存过程中细菌菌群的动态演替规律.设置对照组(ME,无酶添加)、低剂量组(CA,添加量0.1%)和高剂量组(CB,添加量0.3%),18±1℃恒温密闭贮存170 d,间隔一定时间分析有机组分含量和发酵品质,并利用Miseq高通量测序技术研究细菌多样性的动态变化.结果表明,与ME组相比,CA组和CB组在贮存170 d期间的可溶性碳水化合物含量显著升高,酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、纤维素、综纤维素含量及p H值均显著下降;30-60 d期间CA组和CB组的氨氮/总氮值显著下降,90 d后有升高趋势.贮存170 d期间CA组和CB组中乳酸含量显著增加,乳酸/乙酸比值和乳酸/总有机酸比值得到优化,提高了乳酸发酵程度,改善了发酵品质.细菌群落分析显示,DMS与CW两种废弃物原料有乳酸菌互补性,有利于混贮发酵反应快速启动;加入纤维素酶后的CA组和CB组中门水平优势菌Firmicutes和Proteobacteria及属水平优势菌Paralactobacillus和Lactobacillus相对丰度提高,Enterobacter等腐败细菌于130 d时消失,有益乳酸菌的总丰度始终保持50%以上(除90d的CA组).总之,干玉米秸秆和白菜废弃物密闭混贮能确保干秸秆贮存近半年不变质,添加纤维素酶效果更佳,结合酶成本等因素,生产实践中推荐添加量为0.1%(原料鲜重的0.1%).     

曝气复氧对底泥氮素生物地球化学循环影响的作用机制研究

通过分析底泥氮污染物释放规律和转化过程,以及底泥生境、氮形态变化和氮循环功能微生物群落结构变化的规律,探讨了不同曝气复氧条件影响底泥氮生物地球化学循环的生物代谢、物理化学联合作用的机制。结果表明：曝气复氧对底泥中氮的生物地球化学循环影响是一个包括微生物代谢作用和物理化学作用的复杂联合作用过程。水体好氧环境的改变主要引起参与底泥氮循环的硝化、亚硝化和反硝化功能菌群群落结构的演变,对异养菌和氨化菌的影响不大,证明环境好氧条件的改变对底泥有机质生物分解产生氨氮的微生物代谢过程影响不大,主要对底泥释放的氨氮硝化、反硝化等生物转化过程产生大的影响。不同溶解氧条件下,底泥释放的氮素在微生物作用下主要以NH4＋-N和NO3--N的形式进入试验体系,并在特定的氧化还原电位（临界值-200 mV）和pH（临界值6.70）条件下通过物理化学作用在底泥中以离子交换态氮（IEF-N）、碳酸盐结合态氮（CF-N）、铁锰氧化态氮（IMOF-N）及有机态和硫化物结合态氮（OSF-N）等不同形态氮相互转化,同时,在氮的转化和循环过程中部分输入上覆水体。在低溶解氧组实验条件下[ρ（DO）〈0.5 mg.L-1],底泥向水体输出氮总量为底泥可转化态氮的19.7%,主要为氨氮,最大释放速率达到289.13 mg.m-2.d-1,释放的质量浓度可达到18.8 mg.L-1;好氧条件下（DO饱和）,底泥向水体输出氮总量为底泥可转化态氮的1.8%;好氧-缺氧条件下为11.7%,主要以N2的形式释出系统。