低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中細(xì)菌和古菌的群落結(jié)構(gòu)與多樣性

低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中細(xì)菌和古菌的群落結(jié)構(gòu)與多樣性沼氣技術(shù)由于可以利用多種多樣的有機(jī)廢棄物、生產(chǎn)清潔高效的沼氣以及富含養(yǎng)分的沼肥，因而被世界各國廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染、能源危機(jī)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等問題的解決。但在高緯度地區(qū)和高原地區(qū)，低溫是沼氣大規(guī)模推廣的主要限制因素;有研究表明我國75%以上的戶用沼氣池受到低溫的影響；因而高效低溫沼氣技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)成為關(guān)注的熱點(diǎn)。由于沼氣發(fā)酵是生物代謝的過程，因而其性能與微生物密切相關(guān);眾多研究人員對(duì)低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)這一“灰箱”所蘊(yùn)藏的微生物進(jìn)行了深入的研究，并初步揭示了低溫沼氣發(fā)酵微生物的群落組成與功能;但在低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，諸如微生物優(yōu)勢種群的演替（時(shí)間動(dòng)態(tài)）、環(huán)境因子（生物因子和非生物因子）對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性的影響、環(huán)境因子之間的相互關(guān)系等生態(tài)學(xué)基本問題，還不是很清楚，有待進(jìn)一步研究、闡明。為此，本研究分別在15°C、9°C和4°C低溫條件下馴化沼氣發(fā)酵接種物;然后采用批量發(fā)酵工藝,將馴化得到的15C低溫接種物、9C低溫接種物和4C低溫接種物，分別接種至豬糞原料中，進(jìn)行9C低溫發(fā)酵,形成3個(gè)低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)（對(duì)應(yīng)為A系統(tǒng)、B系統(tǒng)、C系統(tǒng)），并綜合應(yīng)用非生物因子分析法、生物因子分析法（16SrDNA擴(kuò)增子測序）和SPSS相關(guān)性分析法，對(duì)供試低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物生態(tài)學(xué)基本問題進(jìn)行研究，以期為優(yōu)良低溫沼氣發(fā)酵微生物資源的挖掘和高效低溫沼氣發(fā)酵接種物的獲得提供指導(dǎo)。結(jié)果顯示:⑴A系統(tǒng)、B系統(tǒng)和C系統(tǒng)的沼氣發(fā)酵時(shí)間分別為120d、160d及160d;總產(chǎn)氣量分別為68,650mL、61,750mL及19,150mL,CH4產(chǎn)量分別為31,191mL、20,906mL及3,031mL;A系統(tǒng)的總產(chǎn)氣量分別是B系統(tǒng)和C系統(tǒng)的1.1倍和3.6倍,A系統(tǒng)的CH4產(chǎn)量分別是B系統(tǒng)和C系統(tǒng)的1.5倍和10.3倍。⑵A系統(tǒng)不同發(fā)酵時(shí)期的細(xì)菌OTU平均值和古菌OTU平均值分別為1,215個(gè)和787個(gè),B系統(tǒng)的分別為968個(gè)和758個(gè),C系統(tǒng)的分別為732個(gè)和720個(gè);A系統(tǒng)的細(xì)菌OTU數(shù)目和古菌OTU數(shù)目分別是B系統(tǒng)的1.3倍和1.0倍，是C系統(tǒng)的1.7倍和1.1倍。⑶在門分類水平上,A系統(tǒng)、B系統(tǒng)和C系統(tǒng)的優(yōu)勢細(xì)菌門均為Firmicutes、Bacteroidetes、Proteobacteria和Synergistetes，優(yōu)勢古菌門均為Euryarchaeota、MCG、Thaumarchaeota和Woesearchaeota。在屬分類水平上,A系統(tǒng)和B系統(tǒng)的優(yōu)勢水解細(xì)菌基本都為Clostridium、Streptococcus、Vibrio,優(yōu)勢的發(fā)酵產(chǎn)酸菌基本均為Terrisporobacter、Turicibacter、vadinBC27_wastewater-sludge_group,優(yōu)勢的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌為Syntrophomonas,優(yōu)勢的產(chǎn)甲烷菌為Methanobacterium和Methanocorpusculum;而在C系統(tǒng)中，優(yōu)勢的細(xì)菌屬為Pseudomonas、Clostridium、Terrisporobacter，優(yōu)勢的古菌屬為Methanosphaera。⑷在A系統(tǒng)中,Clostridium的相對(duì)豐度在發(fā)酵第60d時(shí)達(dá)到最高峰，其后在發(fā)酵第90~100d時(shí)再次達(dá)到高峰;Streptococcus的相對(duì)豐度在發(fā)酵第20d時(shí)達(dá)到高峰;Vibrio的相對(duì)豐度最高峰出現(xiàn)在發(fā)酵第10d;Turicibacter的相對(duì)豐度高峰主要出現(xiàn)在發(fā)酵第20d和40d時(shí);Methanobacterium的相對(duì)豐度在發(fā)酵第20d、50d及70d達(dá)到高峰。在B系統(tǒng)中,Clostridium的相對(duì)豐度最高峰出現(xiàn)在發(fā)酵第100d時(shí),次高峰出現(xiàn)在發(fā)酵第140~150d;Streptococcus的相對(duì)豐度出現(xiàn)在發(fā)酵啟動(dòng)后至第30d時(shí);Terrisporobacter相對(duì)豐度的第一個(gè)高峰期在發(fā)酵啟動(dòng)后至第60d之間,最高峰出現(xiàn)在發(fā)酵第110d,次高峰在發(fā)酵第140d時(shí);Methanocorpusculum的相對(duì)豐度分別在發(fā)酵第30d、50d及150d時(shí)達(dá)到高峰。得出的結(jié)論為:⑴在9°C低溫沼氣發(fā)酵環(huán)境中，15°C低溫馴化接種物的產(chǎn)氣性能明顯優(yōu)于9°C低溫馴化接種物的，顯著優(yōu)于4°C低溫馴化接種物的;分別采用15C和9C馴化接種物的低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行,而采用4C馴化接種物的低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)行是失常的。⑵在運(yùn)行正常的低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，纖維素（半纖維素）水解菌、蛋白質(zhì)水解菌和脂肪水解菌是優(yōu)勢的水解細(xì)菌，單糖分解菌和氨基酸分解菌是優(yōu)勢的發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌，氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌是優(yōu)勢的產(chǎn)甲烷菌，這些沼氣發(fā)酵微生物構(gòu)成了穩(wěn)定的低溫沼氣發(fā)酵食物鏈。在運(yùn)行失常的低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，水解發(fā)酵過程、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程和產(chǎn)甲烷過程均受到嚴(yán)重抑制;而反硝化細(xì)菌是該系統(tǒng)優(yōu)勢的細(xì)菌類群,系統(tǒng)所產(chǎn)氣體以N2為主。⑶在運(yùn)行正常的低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)及脂肪等非水溶性大分子有機(jī)基質(zhì)的水解順序?yàn)橹?gt;蛋白質(zhì)>半纖維素>纖維素，即脂肪和蛋白質(zhì)主要在發(fā)酵初期被水解，半纖維素主要在發(fā)酵中期被水解,纖維素的水解則發(fā)生在發(fā)酵末期;單糖