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热水解温度对市政污泥厌氧消化效能影响及其微生物生态机制研究

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热水解温度对市政污泥厌氧消化效能影响及其微生物生态机制研究

作者：赵晶北京交通大学

学位级别：硕士

污泥作为污水处理过程中的伴生产物,近几年随着污水处理量提高,其产量急剧增加,截止2020年我国城镇干污泥总量达3578.3万吨,是2010年的1.63倍,因此如何高效的实现污泥的资源化和能源化是解决污泥问题的关键。基于有机物的厌氧转化过程,... 详细信息

污泥作为污水处理过程中的伴生产物,近几年随着污水处理量提高,其产量急剧增加,截止2020年我国城镇干污泥总量达3578.3万吨,是2010年的1.63倍,因此如何高效的实现污泥的资源化和能源化是解决污泥问题的关键。基于有机物的厌氧转化过程,生物沼气可以作为一种天然的生物能源加以回收利用,抵消污水厂的能量消耗,降低污水厂碳排放。然而在污泥厌氧消化过程中,破壁效率始终是限制厌氧消化效能的关键因素。热水解被证明是一种高效的污泥预处理破壁技术,并且热水解+厌氧消化的高级厌氧消化工艺在国内外有十分广泛的应用。基于大量的应用案例,普遍认为最适的热水解温度范围是160～180℃,但是对于具体的热水解温度仍然需要进一步研究,以进一步优化热水解过程。除此之外,对热水解+厌氧消化内部微生物生态机制的研究往往局限于细菌和古菌的群落变化,忽略了真核生物在该体系中的作用,在群落调控和优化上仍然存在认知上的不足。以上两点不足之处,对如何进一优化厌氧消化条件带来了一定的限制,除此之外,也降低了进一步提出生态调控策略的可能。为此,本研究以北京市两个污水处理厂的污泥为研究对象,针对不同泥源,在普遍报道的最适热水解温度范围内(160～180℃)寻找最佳热水解温度条件,并解析在不同热水解条件下微生物群落动态(包括真核生物和原核生物)对泥质变化和反应器效能的影响。研究结果表明:(1)热水解后两种污泥的脱水性、溶解性和水解性都有提高,其中有机固体增溶20～30%,SCOD浓度提高3～6倍,说明热水解处理具有一定的普适性。热水解处理后污泥厌氧消化的产气率提高了30～50%(t-test,p微生物群落的多样性大幅下降,群落组成也有明显变化:Chloroflexi、Caldatribacteriota等水解菌的占比下降,Firmicutes、Bacteroidota等发酵产酸菌丰度提高,产甲烷菌中嗜氢产甲烷菌Methanolinea占比提高,且170℃预处理后肠道微生物显著富集。Mantel检验、Spearman相关分析和RDA分析共同表明原核微生物群落组成与污泥性质(可溶蛋白、氨氮和碱度)存在显著强相关关系,说明污泥性质是引起群落组成变化的主要原因。FAPROTAX功能预测结果表明热水解后产甲烷活性显著提高,线性回归分析表明原核群落变化与系统产气率存在中度的因果关系(R=0.35,p生物与原核生物在生物量、alpha多样性和群落结构上都有显著的强相关关系(如预处理后,物种拷贝数:r=0.6,p生物因子后环境因子对群落结构差异的解释度提高到90%以上,证实微生物群落的组成和结构差异主要由污泥性质和真核生物因子共同决定,原核生物和真核生物群落共同的变化对产气率波动的解释度可达到70～80%,表明产气率的变化主要受到真核和原核生物的生态关系控制。网络分析发现真核生物中真菌Geotrichum与原核生物的Firmicutes关系最为密切(r=-0.79,p生物的关键控制物种是Geotrichum。本研究证实了170℃是最佳的热水解处理温度,为进一步优化热水解条件提供了具体可参考的数据资料。此外,该研究发现了真核生物对原核生物群落结构的控制作用,找出了关键物种,进一步提出了产气率是由真核和原核生物共同决定的结论,这一结果为如何进一步的开发污泥厌氧消化的生态调控策略,能否进一步突破现有厌氧消化体系产能效率奠定了理论基础。

关键词：市政污泥厌氧消化热水解微生物生态

微生物生态研究中BIOLOG方法数据分析及R语言实现

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生态学报 2021年第4期41卷 1514-1527页

作者：王强梁玉范小莉张文馨何欢戴九兰山东省林业外资与工程项目管理站济南250014 山东省林业科学研究院济南250014 山东大学环境研究院青岛266237

微生物生态研究中,对微生物群落结构、群落特征以及其与环境因素的关系的揭示,一直受到广泛关注;适当的数据分析方法有助于更清晰地刻画微生物群落结构特征,明确其与环境因素的关系。结合实例,对微生物生态研究中基于BIOLOG微平板技术... 详细信息

微生物生态研究中,对微生物群落结构、群落特征以及其与环境因素的关系的揭示,一直受到广泛关注;适当的数据分析方法有助于更清晰地刻画微生物群落结构特征,明确其与环境因素的关系。结合实例,对微生物生态研究中基于BIOLOG微平板技术的数据分析方法进行梳理,分别介绍数据读取整理、特征指数计算、非限制性排序、限制性排序、聚类分析、环境向量拟合、蒙特尔检验等常用数据操作及生态分析方法;针对不同方法结论,结合研究目标和生态理论给出具有统计学意义的解释,并评价不同方法特点及适用场景;分析过程以R语言实现,并提供全部代码。结果表明,BIOLOG方法产生数据能从多个角度表征微生物群落功能特征,并结合环境指标梯度进行分析;但BIOLOG数据可能不满足正态性分布,在基于正态分布的分析前应提前进行检验;排序分析时应慎用主成分分析,可优先采用其他基于距离矩阵的排序方法;R语言能够简化BIOLOG数据读取及操作,易于完成各类统计分析。本研究能够对微生物生态研究者科学选择应用统计分析方法、提高数据处理效率提供直接参考。

关键词： BIOLOG R语言多元统计群落结构生物多样性微生物生态

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废气处理生物滤器微生物生态学研究进展

应用生态学报 2007年第9期18卷 2133-2138页

作者：陈英旭丁颖韩志英吴伟祥浙江大学环境与资源学院环境工程系杭州310029

废气生物处理是一项新兴的气体污染控制技术,已成为当前环境领域的研究热点.本文概述了生物滤器系统(包括生物过滤器系统和生物滴滤器系统)结构及其去除气体污染物的原理,重点阐述了生物滤器微生物的分离、鉴定及其降解特性,微生物丰度... 详细信息

废气生物处理是一项新兴的气体污染控制技术,已成为当前环境领域的研究热点.本文概述了生物滤器系统(包括生物过滤器系统和生物滴滤器系统)结构及其去除气体污染物的原理,重点阐述了生物滤器微生物的分离、鉴定及其降解特性,微生物丰度、活性与微生物群落结构多样性之间的相关性,运行条件对微生物群落的影响,微生物群落结构时空变化规律,生物膜形成机理和模型等方面的研究进展,并对今后废气处理生物滤器微生物生态学研究方向进行了展望.

关键词：生物过滤器生物滴滤器微生物生态群落结构多样性生物膜

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利用合成菌群促进作物健康:进展与展望

应用生态学报 2024年第3期35卷 847-857页

作者：翁凌胤栾冬冬周大朴郭庆港王光州张俊伶中国农业大学资源与环境学院/国家绿色农业发展研究院/养分资源高效利用全国重点实验室北京100193 河北省农林科学院植物保护研究所河北保定071000

作物健康直接影响作物产量及粮食安全。目前农业生产主要依赖化肥和农药等农用化学品提升作物健康水平,但长期过度使用会破坏农田生态环境,增加农产品安全风险,亟需创制高效且环境友好的绿色投入品。作为植物的第二基因组,根际微生物组... 详细信息

作物健康直接影响作物产量及粮食安全。目前农业生产主要依赖化肥和农药等农用化学品提升作物健康水平,但长期过度使用会破坏农田生态环境,增加农产品安全风险,亟需创制高效且环境友好的绿色投入品。作为植物的第二基因组,根际微生物组与作物健康密切相关,明确核心功能微生物、微生物-微生物以及植物-微生物的相互关系是深入挖掘有益微生物潜力、保证和维持作物健康的核心内容。然而,由于自然环境的异质性和复杂性,激发土著微生物发挥功能仍存在一定限制。合成菌群是人为地将两种或多种具有不同分类和遗传特征及功能特性的微生物进行组合,因菌群兼具多样性及稳定性的优势,已被广泛地应用于人体健康、环境治理和工业生产等领域,在促进作物健康方面也具备巨大潜力。本文阐释了合成菌群的概念及研究现状,解析了菌群构建原则及方法,并从植物-微生物互作机制、促进植物生长发育和提高抗胁迫能力等方面总结了合成菌群促进作物健康的研究进展,并对未来研究进行展望,以期为利用合成菌群提升作物健康水平提供指导。

关键词：合成菌群作物健康微生物生态合成生物学生物肥料

16S rRNA基因技术在油藏微生物生态研究中的应用

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应用基础与工程科学学报 2007年第3期15卷 369-379页

作者：包木太肖生科孔祥平郭省学李希明李阳王修林中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室山东青岛266100 中国石油玉门油田公司炼油化工总厂甘肃玉门735200 中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院山东东营257000 中国石化集团油田化学部北京100029

分子生态学技术的发展大大促进了人们对环境中微生物群落的研究,也为研究油藏微生物群落和微生物采油技术提供了一个新的工具,尤其16S rRNA基因技术应用于油藏微生物生态研究.该技术克服了基于细胞水平研究方法的不足,能更准确、更客观... 详细信息

分子生态学技术的发展大大促进了人们对环境中微生物群落的研究,也为研究油藏微生物群落和微生物采油技术提供了一个新的工具,尤其16S rRNA基因技术应用于油藏微生物生态研究.该技术克服了基于细胞水平研究方法的不足,能更准确、更客观地揭示油藏微生物的多样性、群落动态变化、种群结构及进化等方面的信息.文章简要综述了16S rRNA基因技术发展历程及在环境微生物生态学中的应用,详细概述了16S rRNA基因技术在油藏微生物生态研究中的地位和作用以及用于油藏微生物生态研究的16S rRNA基因技术,讨论了16S rRNA基因技术目前在油藏微生物生态研究中存在的问题,通过实例论证了该技术的现场应用效果,重点介绍了胜利油田利用T-RFLP、DGGE等分子生态学技术在河口采油厂罗801区块空气辅助微生物驱和单12区块内源微生物驱研究中的应用,阐明了分子生态学技术在微生物提高原油采收率研究中的重要的意义.

关键词： 16S rRNA基因技术多样性油藏微生物生态

生物膜型污水脱氮系统中膜结构及微生物生态研究进展

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生态学杂志 2011年第11期30卷 2628-2636页

作者：张蕊韩志英陈重军石德智黄孝肖吴伟祥浙江省水体污染控制与环境安全技术重点实验室杭州310029 浙江大学环境保护研究所杭州310029 农业部面源污染控制重点开放实验室杭州310029

生物膜法污水脱氮系统主要利用生物膜中脱氮功能微生物的代谢活动去除氮素,从而达到净化水质的目的,研究脱氮生物膜的微观结构和微生物生态是揭示生物膜脱氮机理从而提高脱氮效率的重要途径。本文综述了生物膜型污水脱氮系统类型、生物... 详细信息

生物膜法污水脱氮系统主要利用生物膜中脱氮功能微生物的代谢活动去除氮素,从而达到净化水质的目的,研究脱氮生物膜的微观结构和微生物生态是揭示生物膜脱氮机理从而提高脱氮效率的重要途径。本文综述了生物膜型污水脱氮系统类型、生物膜微观结构特征及其影响因素、生物膜型污水脱氮系统内氮素传质过程、脱氮机理和生物膜数学模型等方面的研究进展。另外,本文介绍了生物膜型污水脱氮系统内生物膜脱氮功能微生物分布特征,不同生物膜脱氮系统、底物、运行条件和时间对功能微生物群落影响,及新型脱氮功能微生物等方面的研究进展,为生物膜脱氮技术的深入研究提供参考。

关键词：生物膜脱氮反应器生物膜微观结构传质机理微生物生态

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空间分析方法在微生物生态学研究中的应用

生态学报 2010年第2期30卷 439-446页

作者：王强戴九兰付合才申天琳吴大千王仁卿山东大学生命科学学院山东济南250100 山东大学环境研究院山东济南250100

微生物生态正在受到越来越多的关注,对其研究也渐趋深入。然而由于微生物个体微小的特点及研究手段的限制,多数研究还停留在探索阶段,研究方法也在不断完善当中。近年来,较多的研究开始探讨空间因素在微生物多样性和分布中的影响,对空... 详细信息

微生物生态正在受到越来越多的关注,对其研究也渐趋深入。然而由于微生物个体微小的特点及研究手段的限制,多数研究还停留在探索阶段,研究方法也在不断完善当中。近年来,较多的研究开始探讨空间因素在微生物多样性和分布中的影响,对空间分布的探讨有助于更好地认识生态过程,是一种有力的研究手段。微生物空间分析方法已经成为微生物生态学领域中重要的研究方向之一,我国空间方法在微生物生态研究中的应用还没有得到普遍的重视。从不同研究角度出发,结合空间统计的作用,对空间统计方法在微生物生态研究中的应用的必要性及现状做了评述。介绍了空间自相关性的检验,方差图,Mantel检验,Kriging插值等方法在微生物生态研究中的应用,并论述了微生物研究中的尺度问题。这一梳理,对丰富微生物生态学研究中的新方法、新手段具有一定价值。

关键词：微生物生态空间分析地统计空间自相关空间格局

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生物炭对农田土壤微生物生态的影响研究进展

应用生态学报 2013年第11期24卷 3311-3317页

作者：丁艳丽刘杰王莹莹南开大学环境科学与工程学院/环境污染过程与基准教育部重点实验室/天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室天津300071

生物炭作为新型土壤改良剂在国内外环境科学等领域受到广泛的关注.关于生物炭对土壤理化性质的改良研究较早,目前虽然已深入到土壤微生物生态的领域,但是大多数将土壤理化性质与土壤微生物生态分开考虑,缺乏对二者相互作用的系统评述.... 详细信息

生物炭作为新型土壤改良剂在国内外环境科学等领域受到广泛的关注.关于生物炭对土壤理化性质的改良研究较早,目前虽然已深入到土壤微生物生态的领域,但是大多数将土壤理化性质与土壤微生物生态分开考虑,缺乏对二者相互作用的系统评述.本文总结了施用生物炭后土壤理化性质的改变与土壤微生物群落变化之间的相互关系:生物炭不仅能够提高土壤pH值、增强土壤的持水能力、增加土壤有机质等,而且会影响土壤微生物的群落结构、改变细菌和真菌的丰度;施用生物炭后,土壤环境和土壤微生物之间互相影响互相制约,共同促进了土壤微生物生态系统的改良.本文旨在为生物炭改良农田土壤微生态的深入研究提供新的思路,从生态系统的角度促进生物炭环境效应影响的研究,使生物炭的应用更具有科学性和有效性,并对生物炭在相关领域的应用进行了展望.

关键词：生物炭土壤改良微生物生态联合修复

稳定性同位素探测技术在微生物生态学研究中的应用

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生态学报 2006年第5期26卷 1574-1582页

作者：葛源贺纪正郑袁明张丽梅朱永官中国科学院生态环境研究中心系统生态国家实验室北京100085

稳定性同位素标记技术同分子生物学技术相结合而发展起来的稳定性同位素探测技术(stableisotopeprobing,SIP),在对各种环境中微生物群落组成进行遗传分类学鉴定的同时,可确定其在环境过程中的功能,提供复杂群落中微生物相互作用及其代... 详细信息

稳定性同位素标记技术同分子生物学技术相结合而发展起来的稳定性同位素探测技术(stableisotopeprobing,SIP),在对各种环境中微生物群落组成进行遗传分类学鉴定的同时,可确定其在环境过程中的功能,提供复杂群落中微生物相互作用及其代谢功能的大量信息,具有广阔的应用前景。其基本原理是:将原位或微宇宙(microcosm)的环境样品暴露于稳定性同位素富集的基质中,这些样品中存在的某些微生物能够以基质中的稳定(性同位素为碳源或氮源进行物质代谢并满足其自身生长需要,基质中的稳定性同位素被吸收同化进入微生物体内,参与各类物质如核酸(DNA和RNA)及磷脂脂肪酸(PLFA)等的生物合成,通过提取、分离、纯化、分析这些微生物体内稳定性同位素标记的生物标志物,从而将微生物的组成与其功能联系起来。在介绍稳定性同位素培养基质的选择及标记方法、合适的生物标志物的选择及提取分离方法的基础上,举例阐述了此项技术在甲基营养菌、有机污染物降解菌、根际微生物生态、互营微生物、宏基因组学等方面的应用。

关键词：稳定性同位素探测技术微生物生态微生物功能应用