不同抑制剂对乙酸降解产甲烷及产甲烷菌群结构的影响

摘要:【目的】研究不同温度条件下的石油烃降解产甲烷菌系中是否存在乙酸互营氧化产甲烷代谢途径。【方法】以3个不同温度条件的正十六烷烃降解产甲烷菌系Y15(15℃)、M82(35℃)和SK(55℃)作为接种物,通过乙酸喂养实验、并添加乙酸营养型产甲烷古菌的选择性抑制剂NH4Cl和CH3F,结合末端限制性片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)和克隆文库技术,分析乙酸产甲烷潜力及产甲烷古菌群落的演替趋势,推测产甲烷代谢途径的变化趋势。【结果】无论是否添加NH4Cl和CH3 F,这3个菌系都可以利用乙酸生长并产生甲烷,但是添加NH4Cl和CH3 F后产甲烷延滞期增加,最大比甲烷增长速率降低;只添加乙酸后,3个不同温度的菌系的古菌群落主要由乙酸营养型产甲烷古菌甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)组成,其丰度分别为92.8±1.4%、97.3±2.4%和82.8±9.0%;当添加选择性抑制剂NH4Cl,3 个菌系中的Methanosaeta的丰度分别变为98.5±0.7%、87.4±4.8%和6.1±8.6%,中温菌系M82中氢营养型产甲烷古菌甲烷袋装菌属(Methanoculleus)的相对丰度增加到12. 6±4.0%,高温菌系SK中另一类氢营养型产甲烷古菌甲烷热杆菌属(Methanothermobacter)增至84.3±1.5%;当添加选择性抑制剂CH3 F,Methanosaeta丰度分别降至77.1 ± 14.5%,86.4±6.1%和35.8±7.8%,低温菌系Y15中的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)增高(15.7±21%),这类产甲烷古菌具有多种产甲烷代谢途径,M82中Methanoculleus丰度上升到13.6±13.1%,SK中Methanothermobacter丰度增大到48.5±11.2%。【结论】在低温条件下,菌系Y15可能主要通过乙酸裂解完成产甲烷代谢,在中高温条件下,菌系M82和SK中可能存在乙酸互营氧化产甲烷代谢途径,并且甲烷的产生分别通过不同种群的氢营养型产甲烷古菌来完成。     

不同成熟度煤样产甲烷潜力

摘要:【目的】评估不同类型煤炭生物降解转化为甲烷的潜力,研究原位煤层的微生物群落结构特征。【方法】分别在原位模拟、补加烃降解产甲烷菌系和补加碳源下厌氧培养煤样,利用气相色谱监测甲烷产生趋势,及高通量测序技术研究原位煤层的细菌和古菌群落。【结果】10个样品中有3个高成熟度煤样可以被厌氧降解转化为甲烷。通过生物强化和添加外源底物可以促进HF煤样的产甲烷潜力。其中SL 煤样中的古菌类群主要是氢营养型产甲烷菌Methanoculleus和乙酸营养型产甲烷菌Methanosaeta为主,细菌类群主要 属于Firmicutes(54.4%)、Proteobacteria(30.9%)、未培养微生物(10.8%)、Caldiserica(1.5%)及Thermotogae(1.3%)。【结论】不同成熟度煤样降解产气潜力不同,在部分原位煤层中可能存在参与烃降解与甲烷产生的功能菌。     

扎龙盐碱湿地芦苇根际土的优势产甲烷途径分析

【背景】芦苇湿地是甲烷主要的排放源之一,产甲烷古菌是唯一产生大量甲烷的生物,而盐碱湿地芦苇根际土优势甲烷途径鲜有研究。【目的】调查扎龙低温盐碱湿地芦苇根际土中的优势产甲烷途径。【方法】通过16S rRNA基因扩增子测序,分析扎龙湿地芦苇生长季根际土壤深度0–20 cm的产甲烷古菌和细菌组成。用已知的产甲烷底物三甲胺、甲醇、乙酸和H₂/CO₂,以及高盐环境植物和细菌的相似相容物质——甜菜碱(被细菌还原成三甲胺)在pH 8.0培养获得芦苇根际土的产甲烷富集物。测定各种富集物的产甲烷速率鉴定芦苇根际土的优势产甲烷途径;测定甜菜碱富集物中的16S rRNA基因多样性,并用RT-qPCR定量优势细菌和古菌的物种组成,从而推测协同代谢甜菜碱产甲烷的细菌和古菌类群。【结果】扎龙盐碱湿地芦苇根际土含有氢营养型的甲烷杆菌属(Methanobacterium,36.42%)、偏好低氢的Rice Cluster Ⅱ (11.55%)、乙酸营养型的甲烷鬃菌属(Methanosaeta,11.29%)、甲基营养型的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina,6.53...     

产甲烷条件下岩溶湿地沉积物中古菌群落的变化规律

【背景】桂林会仙湿地位于喀斯特峰丛洼地和峰丛平原的过渡区,主要由岩溶地下河补给,水质呈现富钙偏碱特征,是一处典型的岩溶湿地环境,湿地沉积物以厌氧环境为主,独特的环境特征使之成为研究新型厌氧微生物的理想场所。氢型产甲烷菌和乙酸型产甲烷菌是环境中有机质厌氧降解的重要参与者,但目前会仙湿地产甲烷菌生理生态功能的研究十分有限。【目的】揭示乙酸盐营养型产甲烷条件和氢气营养型产甲烷条件下岩溶湿地环境古菌群落结构的变化规律和产甲烷菌的主要类群,探讨岩溶环境古菌的功能和相互关系。【方法】以会仙岩溶湿地沉积物为研究材料,分别以乙酸盐和氢气为唯一能源物进行富集培养,结合未添加任何能源底物的对照处理,动态监测产甲烷通量,分别构建了3个共包含146条古菌16S rRNA基因全长序列的文库,以及3个共包含138条甲基辅酶M还原酶基因mcr A基因序列的文库,通过构建系统发育树比较分析不同产甲烷底物培养条件下典型岩溶湿地古菌群落的变化规律。【结果】从乙酸型和氢型产甲烷条件培养物顶空气中都检测到了几乎等浓度的甲烷产生,甲烷八叠球菌是mcr A文库中主要的古菌类群,其中包含了Methanosarcina属古菌、Zoige Cluster I (ZC-I)和ANME-2d Cluster (AD)类群古菌,以及两个相对独立且不包含任何参考序列的分支KT-I和KT-II,可能代表产甲烷菌的新类群;经过两种产甲烷条件的富集培养后,ZC-I、AD和KT-II类群古菌的序列数占比有较为显著的增加(45%–155%);深古菌(Bathyarchaeota)是所有古菌16Sr RNA基因文库的优势类群,序列占比为88%–100%,其中MCG-11亚群最为丰富,占所有深古菌的84%,并且在乙酸盐产甲烷条件下增加了17%。【结论】会仙湿地沉积物中蕴涵着丰富的新型古菌序列,沉积物中主要的氢型产甲烷菌和乙酸型产甲烷菌都来自甲烷八叠球菌目,深古菌在岩溶环境和乙酸型产甲烷条件下可能都发挥着重要的作用。     

以pH为扰动因子探究电化学厌氧消化产甲烷代谢通量与微生物的关系

【背景】电化学厌氧消化(electrochemical anaerobic digestion,EAD)系统的代谢途径由具备不同功能的微生物所主导,其代谢通量与功能微生物丰度、活性及群落结构相关。【目的】探究EAD产甲烷代谢通量与微生物的关系。【方法】采用代谢通量分析(metabolic flux analysis,MFA)方法,以pH为扰动因子得到微生物群落与产甲烷通量的响应关系。【结果】pH 7.5扰动时产甲烷通量最大为0.398 4±0.029 3,较对照组(pH 6.9)的0.297 4±0.012 7和扰动组(pH 6.3)的0.136 5±0.012 0分别提高了25%和65%。另外,平均有33.8%±3.1%的氢气(通量)用于还原二氧化碳产甲烷和乙酸,平均有21.0%±2.6%的乙酸(通量)转化为甲烷。此外,产甲烷通量与Mariniphaga、Methanosaeta和Desulfomicrobium的丰度呈正相关,与Sedimentibacter的丰度呈负相关且影响显著。【结论】在EAD产甲烷体系中产甲烷菌和产酸菌共存时,pH值略大于7.0的环境有利于甲烷的生成,改变E...     

互营烃降解菌系M82的脂肪酸降解特性

【目的】通过分子生态学手段筛选适合互营烃降解菌Syntrophus sp.生长的非烃碳源。【方法】利用实验室驯化获得的正十六烷烃降解产甲烷菌系M82为接种物,添加不同碳源(正十二烷二元酸、正十四烷二元酸、正十六烷烃、十六烷酸钠、乳酸钠和丙酸钠)传代培养,通过PCR-DGGE和qPCR技术研究不同碳源条件下Syntrophaceae科细菌的丰度与变化趋势;利用T-RFLP方法分析古菌群落结构。【结果】菌系M82可以利用多种脂肪酸生长并产生甲烷,但是细菌群落结构发生了变化,只在添加正十二烷二元酸和正十四烷二元酸的培养液中检测到了代表Syntrophaceae细菌的条带,并且每毫升菌液中Syntrophaceae细菌的log丰度分别达到7.4和7.6,比添加其它几种非烃碳源的实验组丰度高2-3个单位。古菌群落结构主要由乙酸营养型产甲烷古菌(Methanosaeta)和氢营养型产甲烷古菌(Methanoculleus)组成。【结论】Syntrophus sp.细菌可以利用正十二烷二元酸和正十四烷二元酸这两种非烃碳源生长,这为我们定向分离互营烃降解菌和研究起始烃降解机制和代谢机理提供了依据。     

产甲烷分离物中Clostridium spp.与Methanosarcina barkeri潜在的种间直接电子传递

【目的】革兰氏阴性菌Geobacter metallireducens可以与乙酸型产甲烷菌Methanosaeta harundinacea或Methanosarcina barkeri通过种间直接电子传递(DIET)还原CO2产甲烷。本实验室前期的研究发现Methanosarcina mazei和Geobacteraceae在铁还原富集培养中形成团聚体,可能存在直接电子传递。然而,革兰氏阳性菌(如Clostridium spp.)与产甲烷菌是否存在种间直接电子传递尚不明确。【方法】采用Hungate厌氧滚管法,以乙醇为唯一电子供体从铁还原富集培养体系中获得产甲烷分离物(S6)。通过T-RFLP及克隆文库分析群落多样性,结合循环伏安法等电化学方法研究产甲烷分离物的电活性。【结果】Clostridium spp.(与C.tunisiense相似性最高)和M.barkeri分别在S6细菌和古菌群落中占优势。S6与G.metallireducens共培养后铁还原和产甲烷能力未明显增加,Clostridium spp.可能与G.metallireducens类似,将电子直接传递给产甲烷菌M.barkeri产甲烷。此外,电化学检测发现,在用透析袋包裹电极阻碍微生物与电极表面通过直接接触形成生物膜的条件下,电流密度显著降低,并且循环伏安扫描无明显氧化还原峰。【结论】产甲烷分离物S6中存在直接电子传递途径。本工作提出在产甲烷分离物中占优势的革兰氏阳性菌Clostridium spp.和M.barkeri之间可能存在种间直接电子传递。     

典型煤层水微生物产甲烷潜力及其群落结构研究

内蒙古自治区二连盆地、海拉尔盆地是我国重要的煤层气产区,其中生物成因煤层气是煤层气的重要来源,但复杂物质转化产甲烷相关微生物群落结构及功能尚不清楚。【目的】研究煤层水中的微生物代谢挥发性脂肪酸产甲烷的生理特征及群落特征。【方法】以内蒙古自治区二连盆地和海拉尔盆地的四口煤层气井水作为接种物,分别添加乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠厌氧培养;定期监测挥发性脂肪酸降解过程中甲烷和底物的变化趋势,应用高通量测序技术,分析原始煤层气井水及稳定期产甲烷菌液的微生物群落结构。【结果】除海拉尔盆地H303煤层气井微生物不能代谢丙酸外,其他样品均具备代谢乙酸、丙酸和丁酸产生甲烷的能力,其生理生态参数存在显著差异,产甲烷延滞期依次是乙酸丁酸丙酸;最大比产甲烷速率和底物转化效率依次是丙酸乙酸丁酸。富集培养后,古菌群落结构与煤层气井水的来源显著相关,二连盆地优势古菌为氢营养型产甲烷古菌Methanocalculus (相对丰度13.5%–63.4%)和复合营养型产甲烷古菌Methanosarcina (7.9%–51.3%),海拉尔盆地的优势古菌为氢营养型产甲烷古菌Methanobacterium(24.3%–57.4%)和复合营养型产甲烷古菌Methanosarcina(29.6%–66.5%);细菌群落则与底物类型显著相关,硫酸盐还原菌Desulfovibrio(12.0%–41.0%)、互营丙酸氧化菌Syntrophobacter(39.6%–75.5%)和互营丁酸菌Syntrophomonas(8.5%–21.9%)分别在乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠处理组显著富集。【结论】煤层气井水微生物可降解挥发性脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸)并具有产甲烷潜力;乙酸可能被古菌直接代谢产甲烷,而丙酸和丁酸通过互营细菌和产甲烷古菌代谢产甲烷。Desulfovibrio、Syntrophobacter和Syntrophomonas分别在乙酸、丙酸和丁酸代谢过程中发挥了重要作用。这些结果为煤层气生物强化开采提供了一定的微生物资源基础。     

青藏高原三个盐碱湖的产甲烷菌群和产甲烷代谢途径分析

【目的】分析青藏高原不同类型盐碱湖中的优势产甲烷菌群和优势产甲烷代谢途径。【方法】以不同盐度和植被类型的公珠错、昆仲错和无植被的兹格塘错的沉积物为研究对象,通过高通量测序和q PCR定量古菌16S r RNA多样性分析优势古菌类群;模拟原位盐浓度及p H,比较不同产甲烷底物(甲醇、三甲胺、乙酸和H_2/CO_2)富集沉积物的产甲烷速率,分析其优势产甲烷菌代谢类型。通过添加产甲烷抑制剂(2-溴乙烷磺酸盐),检测沉积物中产甲烷底物积累,确定不同盐碱湖中主要的产甲烷途径。【结果】昆仲错的优势菌群包括甲基/乙酸型的甲烷八叠球菌科(Methanosarcinaceae,11%),乙酸型的甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae,7.9%)和氢型甲烷菌甲烷杆菌目(Methanomicrobiales,7.4%);公珠错和兹格塘错的优势菌群为甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)分别占15%和15.3%,及甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲基型的甲烷叶菌属(Methanolobus)。公珠错和昆仲错分别以乙酸和甲醇产甲烷速率最高,而兹格塘错从不同底物产甲烷速率无差异。抑制甲烷产生后,公珠错主要积累乙酸,昆仲错主要积累甲醇;兹格塘错不仅甲烷排放低,也无产甲烷物质显著积累。【结论】昆仲错沉积物中的甲烷主要来自甲醇,公珠错中的甲烷主要来自乙酸,而兹格塘错产甲烷和底物积累不活跃。因而推测高原盐碱湖主要的产甲烷途径和菌群可能与周围植被类型的相关性更高,而与盐度的直接相关性较低。     

云南热带户用沼气池的原核生物群落结构研究

【目的】揭示云南热带农村户用沼气池中的原核生物(细菌和古菌)的群落结构特征。【方法】采用16S r RNA基因克隆文库技术对云南(北)热带代表性气候区的户用沼气池中的原核生物(细菌和古菌)多样性进行研究。【结果】得到细菌330条有效序列,划分为108个OTUs,文库覆盖度为81.5%;古菌有效序列185条,划分为17个OTUs,文库覆盖度为97.8%。通过Gen Bank数据库进行相似性比对与系统发育分析,结果表明:大部分细菌为未知细菌(Unclassified bacteria,占24.19%),优势细菌类群归属拟杆菌门(Bacteroidetes,占23.58%)、绿弯菌门(Chloroflexi,占21.46%)、厚壁菌门(Firmicutes,占13.91%)和变形菌门(Proteobacteria,占8.74%);古菌主要的优势类群为乙酸盐营养型的甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)的鬃毛甲烷菌属(Methanosaeta,占76.75%);此外还检测到少量未培养的泉古菌门细菌(Crenarchaeota,占9.19%)。【结论】云南(北)热带代表性气候区的农村户用沼气池中的微生物种类十分丰富,不同微生物种类的丰度存在明显差异,并存在明显优势种群,且细菌比古菌具有更丰富的多样性。