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不同水平外源碳在稻田土壤中转化与分配的微生物响应特征

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环境科学 2019年第2期40卷 970-977页

作者：王季斐童瑶瑶祝贞科陈珊邓扬悟葛体达吴金水江西理工大学资源与环境工程学院赣州341000 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室长沙410125 中南林业科技大学环境科学与工程学院长沙410004

外源碳会改变土壤有机质的转化以及土壤微生物的活性,不同水平的易利用有机碳在稻田土壤中转化与分配的微生物响应特征尚不明确.为阐释外源碳周转过程中的微生物响应特征,选取葡萄糖为典型易利用外源碳,采用13C稳定同位素标记技术,在室... 详细信息

外源碳会改变土壤有机质的转化以及土壤微生物的活性,不同水平的易利用有机碳在稻田土壤中转化与分配的微生物响应特征尚不明确.为阐释外源碳周转过程中的微生物响应特征,选取葡萄糖为典型易利用外源碳,采用13C稳定同位素标记技术,在室内模拟培养实验,基于土壤微生物生物量碳(MBC)设置不同水平葡萄糖碳(0×MBC、0. 5×MBC、1×MBC、3×MBC和5×MBC共5个MBC倍数梯度水平),明确其转化与分配规律;并利用96微孔酶标板荧光分析法,测定参与土壤碳转化过程关键酶纤维二糖水解酶(CBH)和β-葡萄糖苷酶(β-Glu)活性.结果表明,培养2 d时,葡萄糖碳(13C)占可溶性有机碳(13C-DOC)和土壤有机碳(13C-SOC)的比例与其添加量成显著正相关;向13C-MBC的分配在3×MBC处理时达到最大值(18. 96 mg·kg-1),随后降低;13C分配率主要与MBC、Olsen-P和DOC存在显著正相关关系. 60 d时,土壤13C-DOC、13C-MBC和13C-SOC显著下降,分别小于或等于0. 02、2和10 mg·kg-1;与CK相比,添加葡萄糖后CBH酶活性显著提高,其中3×MBC处理提高了22. 6倍,显著高于其它处理(P 微生物对外源碳的利用可能存在一个饱和阈值,饱和阈值之内,有机质的转化速率与添加量成正比;超出饱和阈值,有机质的转化速率反而变慢.因此,适量地添加外源碳有利于提高稻田土壤有机碳,优化作物生长环境质量.

关键词：稻田土壤碳转化外源碳微生物响应土壤酶活性

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不同盐度下海洋厌氧氨氧化菌的脱氮性能及微生物响应

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不同盐度下海洋厌氧氨氧化菌的脱氮性能及微生物响应

作者：谭琛青岛大学

学位级别：硕士

工业过程中所产生的废水的盐度会根据不同的工艺而波动,这对于生物脱氮技术是个巨大的挑战。盐度稀释冲击会导致颗粒污泥裂解并几乎完全破坏处理系统,高渗透压也会导致微生物细胞内外渗透压失调和细胞质衰退,甚至会因为质壁分离而死亡... 详细信息

工业过程中所产生的废水的盐度会根据不同的工艺而波动,这对于生物脱氮技术是个巨大的挑战。盐度稀释冲击会导致颗粒污泥裂解并几乎完全破坏处理系统,高渗透压也会导致微生物细胞内外渗透压失调和细胞质衰退,甚至会因为质壁分离而死亡。为了处理此类废水,要求微生物对盐具有一定程度的耐受性来适应盐度的变动。海洋厌氧氨氧化菌(Marine anammox bacteria,MAB)因其耐盐性在处理高盐废水时具有良好的脱氮性能。然而,不同的盐度条件对MAB的影响尚不清楚。本文首次将MAB应用于超高、高、中、低盐度含盐废水的处理,重点研究了基于MAB的混合菌群的微生物群落动态以及颗粒污泥随盐度变化的特征。在盐度从35 g/L逐渐降低至3.5 g/L的过程中,MAB始终表现出良好的脱氮性能,最大总氮去除速率(Total nitrogen removal rate,TNRR,0.97 kg/(m·d))出现在10.5 g/L的盐度下。基于MAB的混合菌群分泌更多的细胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)来抵抗低渗压力。然而,在无盐条件下,EPS含量的急剧下降伴随着MAB驱动的厌氧氨氧化过程的崩溃,平均TNRR骤降至0.04 kg/(m·d)。之后,MAB颗粒由于长期暴露在无盐环境中而崩解,污泥浓度较前一阶段下降了40.3%,表明反应器中的生物量损失。此外,当盐度从35降至10.5和0 g/L时,MAB的相对丰度从10.7%变化至15.9%和3.8%。这表明MAB对海水有很强的依赖性,海水中的某些元素和盐是MAB保持活性所必需的。在盐度从35 g/L逐渐增加到70 g/L的过程中,发现MAB在35–70 g/L的盐胁迫下表现出较高的氮效率(>90%)。相对丰度较低的MAB仍然实现了可观的脱氮效率。EPS分泌增加来抵御盐度胁迫。然而,当盐度增加至75 g/L时,反应器脱氮性能变差,氨氮和亚氮去除效率降低明显。此后随着盐度进一步提高,反应器脱氮性能持续恶化。在盐度为90 g/L时,TNRR相比于最初阶段降低了74.1%,同时,更加耐盐的菌种逐渐成为了反应器中的优势菌种。此时基于MAB的混合菌群的颗粒污泥的外观由砖红色变为了灰色,这表明过高的盐度也会对嗜盐的MAB产生负面影响。MAB驱动的厌氧氨氧化工艺在3.5 g/L到70 g/L的盐度范围内都可以稳定运行,根据MAB对盐度的需求,MAB可被定义为中等嗜盐菌。在这些发现将为MAB驱动的厌氧氨氧化工艺处理不同盐度的废水提供理论依据。

关键词：海洋厌氧氨氧化菌不同盐度含氮废水脱氮性能微生物响应

高有机废弃物厌氧消化过程中再生能源生产及微生物响应研究

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高有机废弃物厌氧消化过程中再生能源生产及微生物响应研究

作者：郭诏弟兰州大学

学位级别：硕士

背景:当前,禽畜废弃物污染形势较为严峻。厌氧发酵作为一种资源化技术对于处理禽畜废弃物具有促进环境保护和实现资源回收的双重优势,然而将禽畜废弃物应用于厌氧消化仍存在着抑制风险过高及资源化效率偏低的问题,且禽畜废弃物最佳负荷... 详细信息

背景:当前,禽畜废弃物污染形势较为严峻。厌氧发酵作为一种资源化技术对于处理禽畜废弃物具有促进环境保护和实现资源回收的双重优势,然而将禽畜废弃物应用于厌氧消化仍存在着抑制风险过高及资源化效率偏低的问题,且禽畜废弃物最佳负荷水平尚无定论,有机负荷指标差异造成横向比较困难。目的:整合不同有机负荷分层指标,明确禽畜废弃物在厌氧消化体系中最佳负荷水平,引入生物炭作为促进剂以提高反应器性能和废弃物资源化效率,并明确生物炭最佳作用浓度。方法:通过测定挥发性固体、含固率、p H、碳氢氮含量以及三大营养素含量对SHW、接种液和生物炭的理化特性进行表征。随后开展0、2、4、6、8%SHW负荷水平（分别对应ISR=0、4、2、1.33、1）的批式厌氧消化。在此基础上,引入生物炭作为促进剂,观察在高有机负荷条件下（6%和8%SHW）不同生物炭浓度水平（0、5、10、15 g/L）对反应器性能及微生物结构及多样性的影响。试验期间,每两天定时测量气体产量,并利用气相色谱仪检测气体中甲烷及二氧化碳含量。每五天对液体进行相关指标分析,如使用水质检测仪通过纳氏比色法检测氨氮含量,用p H仪检测反应器酸碱水平,根据标准公式计算游离氨含量,并利用气相色谱仪测定挥发性脂肪酸浓度。同时,应用16s r RNA高通量测序技术揭示各组反应器中微生物群落结构及生物多样性水平。结果:厌氧消化体系中禽畜废弃物最佳负荷水平为2%。在2%SHW负荷条件下,沼气、甲烷产量最高,反应器运行稳定,反应时间大大缩短,无明显滞后期。当SHW负荷增加至4%和6%时,滞后期延长,沼气及甲烷产量降低。当SHW负荷增加至8%时,挥发性脂肪酸（28.88 g/L）和氨氮（＞4 g/L）显著堆积,反应器彻底抑制。16s r RNA高通量测序结果显示,在2%SHW负荷条件下,乙酸营养型产甲烷古菌Methanosaeta为优势菌（77.15%）,表明反应器以乙酸营养型产甲烷途径为主导。在4%和6%SHW负荷条件下,反应器氨氮和脂肪酸严重堆积,反应器逐渐由乙酸营养型产甲烷途径为主转向以Methanoculleus为主导的氢营养型为主。高有机负荷厌氧消化体系中最佳生物炭浓度水平为5 g/L。在生物炭浓度水平5 g/L的条件下,6%和8%SHW负荷组沼气产量和挥发性固体消耗量均最高。生物炭浓度水平增加至10和15 g/L时,沼气产量下降,表明适宜生物炭添加能够提高高有机负荷厌氧消化反应器稳定性。同时,适宜生物炭添加能够有效降低氨氮和游离氨浓度,促进反应器酸碱环境的稳定。由于生物炭碱性特性,添加过量的生物炭可能会造成反应器p H水平和游离氨浓度升高,对产甲烷造成负面影响。16s r RNA高通量测序结果显示5 g/L生物炭浓度水平能够有效提高微生物多样性及丰富度,并富集关键产甲烷古菌,提高优势古菌的相对丰度,如Methanosaeta、Methanosphaera、Methanobrevibacter和Methanosarcina。但过高的生物炭浓度水平会造成优势古菌相对丰度降低。此外,各组中氢营养型产甲烷古菌Methanobrevibacter的相对丰度与生物炭浓度水平呈现一定相关性。结论:禽畜废弃物作为一种富含油脂及蛋白质的高有机废弃物,能够很好地应用于厌氧消化技术中。虽然其在厌氧消化过程中存在一定的风险,但通过控制机负荷水平以及添加适宜浓度的生物炭能够有效地提高反应器稳定性及资源转化率,在此基础上有助于实现环境废弃物处理与经济效益的双赢。

关键词：高有机废弃物厌氧消化生物炭 16s rRNA高通量测序微生物响应

石煤提钒区土壤钒污染和微生物响应特征（英文）

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2015年第4期25卷 1271-1278页

作者：肖细元杨淼郭朝晖姜智超刘亚男曹霞中南大学冶金与环境学院环境工程系长沙410083

通过野外调查研究湖南省某石煤提钒冶炼区周边土壤中钒的含量、形态、活性以及微生物响应特征。结果表明,该区域土壤钒含量范围为168~1538 mg/kg,均超过加拿大土壤质量钒的最高允许值(130 mg/kg)。废弃区土壤平均钒含量高达1421 mg/kg,... 详细信息

通过野外调查研究湖南省某石煤提钒冶炼区周边土壤中钒的含量、形态、活性以及微生物响应特征。结果表明,该区域土壤钒含量范围为168~1538 mg/kg,均超过加拿大土壤质量钒的最高允许值(130 mg/kg)。废弃区土壤平均钒含量高达1421 mg/kg,尾渣区、原矿区和冶炼中心区的土壤平均钒含量分别为380、260和225 mg/kg。BCR顺序提取结果表明,土壤活性态组分(包括酸提取态、可还原态和可氧化态)中钒含量为19.2~637.0 mg/kg,占总钒含量的7.4%~42.3%。土壤中五价钒含量为21.9~534.0 mg/kg。此外,土壤高含量钒抑制了土壤酶活性和基础呼吸率。石煤提钒区土壤钒污染和潜在生态风险值得关注。

关键词：钒土壤污染活性微生物响应石煤提钒区

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人工合成腐植酸淋洗重金属污染农田效能及微生物响应研究

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化工管理 2023年第10期 66-71页

作者：魏士程陈冠衣杨婷张冰中央民族大学生命与环境科学学院

近些年来，土壤重金属污染成为了全球备受关注的环境问题之一，在处理、修复土壤重金属污染的众多方法中，人工合成腐植酸淋洗法发展前景较好。文章主要针对人工合成腐植酸林洗法展开研究，选取重金属污染的土壤，探究淋洗前后土壤的理... 详细信息

近些年来，土壤重金属污染成为了全球备受关注的环境问题之一，在处理、修复土壤重金属污染的众多方法中，人工合成腐植酸淋洗法发展前景较好。文章主要针对人工合成腐植酸林洗法展开研究，选取重金属污染的土壤，探究淋洗前后土壤的理化性质的变化并分析淋洗后对土壤微生物群落的影响，从而进一步为修复重金属污染的土壤提出建议与策略。

关键词：重金属污染腐植酸淋洗理化性质微生物响应

间歇曝气耦合内循环生物滤池污染物去除特征及微生物响应机制

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中国环境科学 2021年

作者：任武昂曹锋锋鞠恺金鹏康李思敏柴蓓蓓雷晓辉西安科技大学建筑与土木工程学院西安交通大学人居环境与建筑工程学院河北省水污染控制与生态修复技术创新中心河北工程大学水利水电学院河北省智慧水利重点实验室

针对间歇曝气耦合内循环生物滤池的强化脱氮作用机制尚不明确的问题，探究了反应器沿程污染物去除特性，运用多项测试手段解析系统沿程生物量、生物活性、硝化及反硝化速率，并对反应器内沿程微生物种群特性进行分析.试验结果表明:沿程... 详细信息

针对间歇曝气耦合内循环生物滤池的强化脱氮作用机制尚不明确的问题，探究了反应器沿程污染物去除特性，运用多项测试手段解析系统沿程生物量、生物活性、硝化及反硝化速率，并对反应器内沿程微生物种群特性进行分析.试验结果表明:沿程类蛋白荧光强度逐渐减弱，最终出水并未检测到类蛋白峰;反应器沿程10～50 cm区段NH;-N的降低并没有引起NO;-N大幅增长，并且在50 cm处NO;-N含量有所下降，该段反硝化作用明显;沿程溶氧环境和生物量也显示，该区域具备较为明显的缺/厌氧的环境以及富集了充足的生物量;此外，50 cm处的好氧速率（Oxygen uptake rate， OUR）低但TTC-脱氢酶活性高以及反硝化速率明显强于硝化速率，均可表明系统在该区域强化了反硝化脱氮过程.另外，16S rRNA高通量测序分析显示:系统在门水平上涉及反硝化功能的微生物有更高的丰度，主要有Firmicutes （厚壁菌门:10.63%）和Bacteroidetes （拟杆菌门:32.05%）;在属水平上也明显存在反硝化功能的Comamonas （丛毛单胞菌属:3.11%）和Hydrogenophaga （2.43%）.上述研究均表明间歇曝气耦合内循环的BAF系统强化了底部区域的反硝化作用进而提升了脱氮效能.

关键词：生物滤池间歇曝气内循环污染物微生物响应

攀枝花冶炼区钒的时空分布与微生物响应特征研究

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攀枝花冶炼区钒的时空分布与微生物响应特征研究

作者：王松中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

钒矿开采及钒产品的大量使用造成了环境中的钒污染,钒冶炼厂周边环境钒污染尤为严重。微生物对环境中的钒反应敏感,地质环境中的钒能促使微生物群落发生变化。探究钒冶炼厂周边环境介质中钒与微生物之间的分布及响应有助于我们了解冶炼... 详细信息

钒矿开采及钒产品的大量使用造成了环境中的钒污染,钒冶炼厂周边环境钒污染尤为严重。微生物对环境中的钒反应敏感,地质环境中的钒能促使微生物群落发生变化。探究钒冶炼厂周边环境介质中钒与微生物之间的分布及响应有助于我们了解冶炼厂周边环境钒污染程度及钒的生物地球化学过程与微生物的响应特征。针对攀枝花某典型钒冶炼厂周边不同距离梯度及剖面深度的土壤进行钒含量及微生物调查研究。研究发现该地区土壤受到了严重的钒污染,钒的含量随着距离和剖面深度的增加而降低,钒污染的主要来源为钒冶炼厂的大气沉降。该地区土壤钒污染严重且对儿童健康存在危害风险。不同钒含量的样品微生物群落结构差异性较大。该地区中存在一类钒还原菌群(VRB),土壤钒含量与其丰度呈现高斯分布模式。钒在一定范围内能够促进VRB的生长,含量过高则会抑制VRB的生长。对表层土壤和剖面土壤一年内不同季节变化进行研究,发现土壤中的钒含量在一年内随着时间的变化逐渐增加,其污染程度在加重。微生物的多样性和丰度随着季节性变化逐渐降低。门水平Actinobacteria丰度在一年内随着季节性变化有逐渐增长的趋势,Acidobacteria则相反。属水平中丰度高的属大多具有钒还原以及其他金属还原与抗性功能,其中Bacillus丰度较高且具有钒还原功能。冗余分析(RDA)表明有机质(OM)和钒是影响微生物群落的最重要的理化指标。对冶炼厂周边其他环境介质(地表水、地下水、沉积物)钒含量及微生物群落研究,发现典型溪流钒污染严重,浓度高达12.60 mg/L。钒污染水环境样品中存在丰度较高的钒还原菌及其他金属还原与抗性菌。沉积物中微生物分布特征与水环境样品分布特征相似。非度量多维尺度分析(NMDS)表明环境相似的样品群落结构相似。钒、TN、Al和pH是影响其微生物群落的关键性因素。综上所述,该冶炼厂周边地质环境受钒污染严重,环境介质中的微生物群落对钒含量有不同的响应特征。本研究为揭示地质环境钒的生物地球化学过程提供了重要支撑。

关键词：土壤钒时空分布生物地球化学过程微生物响应

稻草/紫云英还田配施石灰水稻降镉效应及土壤微生物响应

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稻草/紫云英还田配施石灰水稻降镉效应及土壤微生物响应

作者：郑沈江西农业大学

学位级别：硕士

土壤重金属的原位修复技术在我国被广泛的应用,其中有机物料还田配施石灰是对这种修复技术的改进,它既能降低农田重金属污染也可以改善土壤质量减少农业化肥的施用,对保障农产品安全以及重金属污染农田的安全利用具有重要的意义。本试... 详细信息

土壤重金属的原位修复技术在我国被广泛的应用,其中有机物料还田配施石灰是对这种修复技术的改进,它既能降低农田重金属污染也可以改善土壤质量减少农业化肥的施用,对保障农产品安全以及重金属污染农田的安全利用具有重要的意义。本试验采用有机物料-稻草和紫云英还田配施石灰在镉污染水稻土上开展大田实验,探究施加石灰和有机物料对镉在土壤-水稻系统迁移的影响。主要结论如下:(1)单施紫云英(CMV)和稻草(S)促进了水稻对Cd的吸收和积累,施用石灰(L、SL和CMVL)降低了水稻对Cd的吸收积累。与CK相比,三季的L、SL和CMVL处理稻米Cd含量显著降低,降幅分别为51.99%～65.10%、89.19%～89.69%和93.65%～94.32%;S和CMV处理的稻米Cd含量出现显著的增加,分别增加了52.84%～58.68%、48.77%～69.95%和29.64%～35.67。处理L、SL和CMVL在3季中均出现逐渐降低的趋势。连续施用300 kg亩石灰二季后稻米Cd含量低于《食品安全国家标准》(GB2762-2017)中大米Cd限量指标(0.2 mg kg)。(2)单施有机物料二季后抑制了水稻根表胶膜的形成、降低了根表胶膜对镉的吸附。石灰单施或与有机物料配施抑制水稻根表胶膜形成、降低了根表胶膜对镉的吸附。与CK相比,S和CMV处理第一季DCB-Fe分别显著提高80.28%和38.27%(p微生物群落数量。连续单施紫云英及紫云英配施石灰配施石灰处理的群落数量均处于较高水平。土壤理化性质对功能微生物具有重要的影响,连续石灰的施加使pH升高,对微生物胁迫作用加强。功能菌群与水稻根表胶膜的形成存在相关性,微生物可能会在根表阻止水稻对重金属的吸收积累。

关键词：镉水稻有机物料还田石灰根表胶膜微生物响应

氨氮胁迫下餐厨垃圾厌氧消化系统微生物响应研究

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氨氮胁迫下餐厨垃圾厌氧消化系统微生物响应研究

作者：王逸雪重庆大学

学位级别：硕士

餐厨垃圾中蛋白质含量高,其厌氧消化易受到蛋白质水解释放出的过多的氨氮的影响而导致系统产气性能降低,中间产物积累,甚至完全失稳。为了全面解析餐厨垃圾厌氧消化系统的氨抑制失稳的微生物响应,强化厌氧消化过程,保障系统高效稳定运行... 详细信息

餐厨垃圾中蛋白质含量高,其厌氧消化易受到蛋白质水解释放出的过多的氨氮的影响而导致系统产气性能降低,中间产物积累,甚至完全失稳。为了全面解析餐厨垃圾厌氧消化系统的氨抑制失稳的微生物响应,强化厌氧消化过程,保障系统高效稳定运行,本研究设置了串联的两批次实验,分析不同氨氮浓度下反应器性能特点及微生物群落演替过程,以揭示失稳关键环节,寻找关键微生物因子,并判断微生物群落能否自我驯化适应高氨氮条件。本研究得到的主要结论如下:(1)第一批次实验中,随氨氮浓度的增加厌氧消化反应器的累积甲烷产率减少,产气速率降低、产甲烷停滞期延长。氨氮浓度达到6000、7500mg/L时的甲烷回收率分别为85.70%、67.39%,且这两组反应器出现了以丙酸为主的酸积累,反应结束时丙酸浓度依然高达258.27mg/L、686.15mg/L。(2)第二批次实验中,不论是维持原氨氮浓度还是提高到更高的氨氮浓度下运行,同等氨氮浓度下,所有氨氮水平均出现反应器甲烷产率显著上升,产气动力学(停滞期和产气时间)显著改善的现象,但高氨氮(>6000mg/L)下酸积累现象并未得到改善,反应结束时丙酸浓度在293.33-982.96mg/L之间。(3)氨氮胁迫对微生物多样性产生了巨大影响。α多样性上,随着氨氮浓度的增加,群落的Ace、Chao、Shannon指数都显著降低,Simpson指数显著增加,说明群落的丰富度和多样性都降低了;β多样性上,以PCA(Principal Component Analysis)对各样品进行聚类发现,氨氮浓度越高,微生物样品点距离对照组越远,说明不同程度氨氮胁迫使群落发生了不同程度的演替,且高氨氮胁迫下的微生物群落演替方向相同。(4)厌氧消化过程中,水解酸化菌丰度随着氨氮浓度的增加而增加,并且向着产氢能力强的微生物转化,指示系统中会产生更高浓度的挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA)和氢气;产氢产乙酸菌Syntrophomonas、Pelotomaculum等在氨氮浓度6000mg/L时受到抑制,且无具有同等功能的替代微生物出现,指示该阶段的抑制的不可逆性,此时系统VFAs的降解能力受到影响;产甲烷菌受到氨氮的抑制作用最强,整体呈现随氨氮浓度增加而下降的趋势。其中甲烷鬃菌最先受到氨抑制,在3000mg/L时,就观察到乙酸在消化初期发生积累,但随着反应时间延长,甲烷鬃菌会逐渐被甲烷八叠球菌取代,乙酸最终被消耗。能够消耗氢气的微生物也大多归于产甲烷古菌,而整个古菌群落相对丰度的降低以及氢气产量的增加,导致系统内氢分压的升高。产酸菌丰度增加与耗酸菌丰度下降之间的矛盾,以及系统内阻碍丙酸等长链VFAs的互营降解过程的较高的氢分压,共同导致厌氧消化过程出现酸的积累,这可能是过程失稳的关键。(5)高氨氮下过程失稳的关键环节是以丙酸为代表的长链VFAs的降解,与其相关的互营降解联合体是本研究寻找到的关键微生物因子。更多的关注与丙酸/丁酸互养降解的微生物菌群,能为过程强化提供新的方向。

关键词：餐厨垃圾厌氧消化氨氮过程稳定性微生物响应