基于多Agent仿真解析处理剩余污泥的微生物电解池种群互作关系

【背景】微生物电化学系统耦合了电化学反应和厌氧消化过程,在处理剩余污泥同时实现能源回收,成为具有应用前景的技术之一。揭示电活性生物膜和活性污泥种群互作机制,有助于进一步调控和强化系统性能。高通量核酸测序技术研究微生物群落具有投入大、耗时长和不可预测的缺点,开展微生物群落动态仿真可以更有效地预测群落结构与功能。【目的】研究厌氧消化和生物电化学系统的微生物种间热力学与动力学的演化规律。在考虑电子供体、电子受体、温度、pH值等生态条件下,分析底物的电子流向及微生物群落结构的动态变化。【方法】通过对剩余污泥处理的微生物电解池(Microbial electrolytic cell,MEC)建立一个多Agent仿真(Multi-agent-based simulation,MAS)模型,评估MEC对底物氧化电子转移的能量效率和传质效率,模拟微生物群落结构实时变化,同时耦合动力学和热力学分析;揭示影响MES运行的电子流向决定性因素及相应的微生物种群,为复杂污染物生物处理系统中种间互作和动力学研究提供基础依据。【结果】通过MAS模拟,确定MEC污泥处理工艺的最佳能量传递效率与传质效率为η=0.2,ε=0.5,MAS结合热力学与动力学参数模拟微生物的群落动态与实验组有较高的吻合性。在长期的运行中,微生物电化学系统中丙酮酸没有积累。【结论】证实了MAS结合热力学与动力学参数可以预测微生物的群落动态,并进行实时监测。研究表明多Agent仿真为微生物群落结构动态变化提供了一种新的研究方法,该方法与高通量核酸测序技术进行校验和联用,为人工和自然生态系统中微生物种群预测与评估研究提供一个新的手段。     

导电碳颗粒促进污泥厌氧消化及微生物种间电子传递的研究进展

添加导电碳颗粒能够促进厌氧消化过程稳定性、底物降解率以及产沼气品质的同步提高。本文总结了以活性炭和生物炭为代表的导电碳颗粒对城市污泥厌氧消化的影响,探讨了导电碳颗粒促进城市污泥厌氧消化的机理,阐述了导电碳颗粒介导的微生物直接种间电子传递(Directinterspecies electrontransfer,DIET)在强化污泥厌氧消化中的作用机制,分析了复杂厌氧消化体系中微生物DIET互营关系的研究现状,同时对导电碳颗粒的物理化学特性及其对污泥厌氧消化产甲烷的影响进行了分析,最后对未来导电碳颗粒促进城市污泥厌氧消化的研究进行了展望。     

餐厨垃圾和市政污泥配料比对厌氧产甲烷特性及微生物多样性的影响

在(38±0.5)℃的温度下,研究不同配料比对餐厨垃圾和市政污泥混合厌氧消化过程中系统参数及微生物群落多样性的影响,设定餐厨垃圾和市政污泥的挥发性固体的质量比为1∶0、0∶1、1∶1、1∶2和2∶1,并采用高通量测序技术分析厌氧消化过程中微生物组成的多样性。结果表明:质量比为1∶1的体系混合厌氧消化时,产甲烷效果最佳,单位质量的挥发性固体含量的产甲烷量可达到232.86 L/kg,挥发性固体含量的去除率达46.09%。各个混合比例体系中的优势物种为拟杆菌门(Bacteroidetes)和甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)。在餐厨垃圾中添加市政污泥混合厌氧消化能够提高微生物群落的多样性,促进菌种间的协同作用,进而提升产气效率。     

微生物组学及其在厌氧消化中的研究进展

我国每年产生大量的有机废弃物,如果处置不当将会对生态、气候以及人类健康造成重大影响。厌氧消化是一种可靠的、绿色的、可持续的有机废弃物处理方式,但由于缺乏准确有效的监测手段,厌氧消化微观过程常常被视为“黑盒”。随着微生物组学的发展,学者们在菌群与运行参数关联性分析、代谢途径分析等方面有了更深入的认识。本文从“三阶段、四菌群”的厌氧消化过程出发,介绍了常用微生物组学的类型,包括:16S rRNA基因组、宏基因组、宏转录组和宏蛋白组;详细阐述了物种组成分析、α多样性分析、OTU相似性分析以及多元统计学分析等6种常用的微生物群落生物信息学分析方法;系统回顾了厌氧消化过程的微生物学研究进展,以期能为分析厌氧消化的微生物群落结构和功能、开发新的厌氧消化工艺和技术提供支持。     

厌氧颗粒污泥的超微结构分析

目的：通过透射电镜对厌氧污泥颗粒内部结构进行系统的分析,研究其中微生物的生态情况及分布特征。方法：对颗粒的表面、1／3、1／2等特征部位处进行超薄切片,在透射电镜下观察并分析。结果：厌氧颗粒污泥由多种微生物但主要是丝状菌、杆状菌和球状菌组成。这些菌群整体上以混栖分布的形式存在,菌体密度从外向内看由密变疏,呈递减式的梯度分布。结论：厌氧颗粒污泥是一个微生态系统,不同类型的细菌种群在系统中相互依存,形成互营共生体系,有利于细菌对有机物的降解。透射电镜下对于污泥颗粒内不同层面中的菌群生态及分布情况的观察非常直观,十分有利于了解各菌群之间的生态关系。因此,采用透射电镜技术是研究厌氧污泥颗粒一种好方法。     

外加电压对污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的影响

在污泥厌氧消化与微生物电解池耦合系统中,研究不同外加电压对污泥产甲烷及降解菲的影响,外加电压分别设定为0.4、0.8、1.2和2.5 V,定期对消化过程中产气量、pH、总有机碳(TOC)、溶解性化学需氧量(SCOD)、氨氮及菲含量等参数进行分析,并通过高通量测序对消化污泥及电极生物膜上的微生物多样性进行分析。结果表明:外加电压能有效促进污泥厌氧消化产甲烷并提高系统中菲的降解率,当外加电压为0.8 V时,单位质量固体的甲烷产率为136.36 L/kg,挥发性固体(VS)的去除率为42.26%,污染物菲的去除率为43.88%,均明显高于其他实验组。微生物多样性分析表明:当外加电压低于0.8 V时,阴极生物膜上的优势产甲烷菌为Methanosaeta和Methanospirillum,属于乙酸营养性产甲烷菌;当外加电压为0.8 V以上时,阴极生物膜上的优势产甲烷菌为Methanobacterium,属于氢营养性产甲烷菌。     

厌氧颗粒污泥微生物群落结构与功能的研究进展

厌氧颗粒污泥(anaerobicgranularsludge,AnGS)是由多种功能微生物组成的自固定化聚集体，具有容积负荷高、工艺简单、剩余污泥产量低等优点，在废水处理领域中显示出巨大的技术和经济潜力，被认为是一种很有前景的低碳废水处理工艺。本文系统总结了近年来厌氧颗粒污泥微生物结构和功能的研究成果，从微生物学角度讨论了厌氧颗粒污泥形成及稳定的影响因素，并对今后厌氧颗粒污泥的研究进行了展望，以期为后续厌氧颗粒污泥技术的深入研究和实际工程应用提供参考。     

典型有机固废厌氧消化微生物研究现状与发展方向

经过人工富集和驯化的兼性和严格厌氧微生物是厌氧消化工艺的核心。不同厌氧消化体系中存在的问题大多可以通过改变微生物群落的代谢活性来得到有效改善。得益于微生物组学检测技术的快速发展,对厌氧消化系统中微生物多样性的认识获得了极大的拓展,同时在微生物类群间、微生物与环境的互作关系研究方面也取得了一系列新的进展。然而,有机固废厌氧消化系统中,各种微生物以及微生物和物质的相互作用构成了更为复杂的代谢网络,所以目前对这些互作关系的解析尚不完善。本文重点关注了厌氧消化过程中的典型菌群互作关系,阐述了典型有机固废厌氧消化系统中存在的问题及微生物在其中发挥的作用,最后,立足于现有组学技术推动的微生物组研究进展,对未来有机固废厌氧消化系统微生物组的研究提出展望。     

添加厨余垃圾对剩余污泥厌氧消化产沼气过程的影响

为提高剩余污泥厌氧消化的沼气产量和甲烷含量,研究了厨余垃圾的不同添加量对剩余污泥厌氧消化性能的影响。结果表明,在35℃下,随着剩余污泥中厨余垃圾添加量的增加,厌氧消化系统中碳氮质量比（C／N）、胞外多聚物（EPS）等生理生化指标均有不同程度的改善。其中当剩余污泥与厨余垃圾质量比为2：1时,混合有机废弃物中沼气产量和甲烷含量均达到最大值,每克挥发性固体（VS）产生了156．56mL沼气,甲烷体积分数为67．52％,分别比剩余污泥单独厌氧消化时的产气量提高了5倍和1．5倍。     

中高温污泥厌氧消化系统中微生物群落比较

【目的】结合中温与高温消化两者优势的两相厌氧消化工艺可能是推进污泥厌氧消化发展的重要方向,因此,探究和比较中温和高温污泥厌氧消化系统中微生物群落组成的异同具有重要意义。【方法】利用高通量测序技术检测中温和高温厌氧消化系统中细菌与古菌的16S r RNA基因序列信息和真菌的内转录间隔(ITS)序列信息,利用基因芯片(Geo Chip 5.0)检测病毒和病原菌致病基因的信息,以对比中温和高温条件下微生物群落在物种组成和功能基因层面上的异同。【结果】中温和高温条件下细菌和古菌在群落物种组成上存在显著差异,病毒和病原菌毒性基因也显著不同,而两种系统中真菌群落的物种组成相似且丰度相对较低。中温条件下产甲烷古菌和未分类微生物相对丰度较高,而高温条件下产酸及嗜热菌相对丰度较高,且高温消化后病毒和病原菌毒性基因相对丰度下降。微生物群落结构与COD、TS和VS有着显著相关性。【结论】微生物群落组成和功能基因在中高温的污泥厌氧消化系统中显著不同,从而解释了两个系统功能的差异。微生物群落的形成与进水参数相关,说明微生物对进水条件敏感。     

基于热水解的高效污泥厌氧消化技术研究进展

污水处理厂产生的大量剩余污泥,是目前困扰市政工程的主要问题之一,对其进行减量化、稳定化、无害化和资源化是污泥处理处置的核心任务。厌氧消化技术是目前最广泛使用的污泥处理工艺之一,但厌氧消化技术受到污泥低水解速率的制约。基于热水解的高效污泥厌氧消化技术不仅打破传统厌氧消化的水解限速,还在改善污泥流变特性和化学特性、提高污泥厌氧消化效率和新兴污染物的去除等方面有着明显的优势。综述了热水解预处理对污泥特性和对系统中新兴污染物去除特性的影响,总结了目前的研究成果并展望了发展前景,指出工艺运行条件的进一步优化和经济可行性的系统评价是其推广使用的重要支撑。     

454高通量焦磷酸测序法鉴定膜生物反应器膜污染优势菌种

【目的】对诱发膜-生物反应器(Membrane bioreactors,MBR)膜污染的优势菌种进行研究。【方法】利用454高通量焦磷酸测序法对MBR污泥混合液样品与膜污染物样品中微生物信息进行统计,并对两组样品的Chao丰度指数与Shannon生物多样性指数计算,对测序结果进行系统发育学分析。【结果】从污泥混合液样品与膜污染物样品中获得9 353与7 504条优化序列,发现膜污染物中微生物丰度与多样性均高于污泥混合样品。借助基因频谱对OTU分布特点进行统计,表明源于污泥混合液中的微生物在膜表面定殖生长过程中发生了种群变化,在膜面污染物样品中,β-变形菌纲丰度显著降低,α-变形菌纲、γ-变形菌纲与Phycisphaerae在微生物种群结构中比重增加。【结论】454焦磷酸测序分析表明,黄色单胞菌(Xanthomonadaceae),嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter),Phycisphaera以及2株尚未培养出的细菌(Candidate_division_TM7及Candidate_division_OD1)是诱发MBR膜污染的优势菌种(微生物丰度1%)。诱发膜污染的细菌既包括了黏性高、表面疏水的种类(如γ-变形菌),从而引发细菌在膜表面的定殖,也包括了代谢能力强的物种(如Candidate_division_OD1)可以确保种间递氢顺畅。     

对降解喹啉的厌氧生物反应器中重要功能菌群的鉴定

通过把微生物区系组成的分子水平的动态变化情况与微生物群落的整体功能变化相关联,鉴定重要的功能类群是微生物分子生态学研究的一个重要的策略.应用分子生物学的方法,对一个实验室规模的用于降解喹啉的厌氧反应器生物膜样品的微生物区系组成变化进行解析,找出可能的主要功能菌.通过DGGE对反应器的种子污泥和运行稳定的厌氧生物膜反应器的微生物区系组成进行了对比分析,并对主要的优势条带进行了分子鉴定.同时对以上两个样品构建16S rDNA克隆文库,通过统计学分析对克隆文库的有效性进行验证,并对文库进行测序分析.DGGE条带及克隆文库的序列分析均表明,在驯化过程中,Gamma Proteobacteria亚纲与Desulfobacter postgatei种的微生物显著增加,这种动态变化表明这些细菌可能是在厌氧条件下对喹啉的降解起关键作用的微生物.     

畜禽粪便和粪水厌氧消化技术分析与展望

随着我国畜禽养殖集约化程度的不断提高,畜禽粪污导致的环境污染已成为畜禽养殖业发展面临的重要制约因素。粪污通过厌氧消化可回收能源、生产沼肥和消灭病原菌,避免对环境产生危害,是畜禽粪污处理和资源利用技术链条的核心环节。根据原料性质的差异,将粪污区分为畜禽粪便与养殖废水,分别探讨了这两种处理对象厌氧消化处理的不同技术难点和发展方向。针对畜禽粪便,重点探讨了高含氮粪便厌氧消化过程中存在的氨抑制问题及解除氨抑制的方法;针对养殖废水,介绍了废水处理与回用标准,比较分析了升流式厌氧污泥床、厌氧膜生物反应器、厌氧折流板反应器和自搅拌厌氧折流板反应器等几种代表性的和新型的废水厌氧处理工艺,并展望了技术的创新发展,旨在为畜禽粪便和养殖废水的厌氧消化及废水回用技术的发展提供参考。     

不同生境微生物转化H2/CO2产乙酸及其在合成气发酵中应用

【目的】合成气发酵对大力开发可再生资源和促进国家可持续发展具有重要意义,研究旨在探究不同生境微生物转化H2/CO2产乙酸及其合成气发酵的潜力。【方法】采集剩余污泥、牛粪、产甲烷污泥和河道底物样品在中温(37 °C)条件下生物转化H2/CO2气体,将来源于牛粪样品的H2/CO2转化富集物用于合成气发酵,通过454高通量技术和定量PCR技术分析复杂微生物群落的组成,GC气相色谱法检测气体转化产生的挥发性脂肪酸(VFAs)浓度。【结果】牛粪和剩余污泥微生物利用H2/CO2气体生成乙酸、乙醇和丁酸等,最高乙酸浓度分别为63 mmol/L和40 mmol/L,明显高于河道底物和产甲烷污泥样品的最高乙酸浓度3 mmol/L和16 mmol/L。牛粪和剩余污泥微生物中含有种类多样化的同型产乙酸菌,剩余污泥中同型产乙酸菌主要为Clostridium spp.、Sporomusa malonica和Acetoanaerobium noterae,牛粪中则为Clostridium spp.、Treponema azotonutricium和Oxobacter pfennigii。【结论】同型产乙酸菌的丰富度和数量两个因素都对复杂微生物群落转化H2/CO2产乙酸效率至关重要;转化H2/CO2得到的富集物可用于合成气发酵产乙酸和乙醇,这为基于混合培养技术的合成气发酵提供了依据。     

厌氧消化过程的非模型控制

对废水淤泥的厌氧消化处理过程进行了研究．提出了一种基于神经网络的非模型控制方法。多变量控制系统的操作变量为供热量和进水量．被控变量为消化温度和消化污泥排出浓度。证明了控制算法的收敛性。讨论了控制系统的稳定性。仿真结果证实了非模型控制方法的有效性。该方法无需对象的模型．为复杂生化过程的控制提供了一种新途径。     

厌氧氨氧化颗粒污泥聚集机制研究进展

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)工艺被认为是当前污水生物脱氮领域最经济的处理工艺,有利于实现污水处理厂的能源自给。厌氧氨氧化菌是该工艺的核心功能微生物。以厌氧氨氧化菌为主导微生物形成的厌氧氨氧化颗粒污泥具有沉速大、污泥持留能力强及对不利环境抵抗能力强等突出优势,是实现厌氧氨氧化工艺最有前景的污泥形态。本论文围绕厌氧氨氧化颗粒,介绍了厌氧氨氧化菌的特性、种类及代谢途径,综述了厌氧氨氧化颗粒污泥的形成假说及与厌氧氨氧化颗粒污泥聚集密切相关的胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)和群体感应研究现状,并对今后厌氧氨氧化颗粒的研究进行了展望,以期为后续厌氧氨氧化颗粒的研究及厌氧氨氧化颗粒工艺的优化提供参考。     

厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用

厌氧氨氧化细菌(anammox)可以将亚硝酸盐和氨氮转化为氮气从而缩短氨氮转化的过程,它已经成为新型生物污水脱氮技术研究的热点之一。当前,有关厌氧氨氧化菌特有的生理结构特点、种群分类及其功能酶等方面的研究取得了一定突破,为实现其工业应用奠定了良好的理论基础;同时分子生物学技术在厌氧氨氧化细菌种群分布、群落多样性及其共生关系等方面的应用也大大促进了污水生物脱氮技术的革新和进步。总结了厌氧氨氧化菌主要的生理生化特点、细胞结构特点、脱氮机理、污水处理体系中的应用以及分子生物学方法对污水处理体系中厌氧氨氧化菌种群分析的研究现状,并指出未来anammox细菌在生物特性及在污水脱氮处理实际应用的研究中的热点问题。生物特性方面的主要研究热点有：（1）anammox细菌除厌氧氨氧化作用外,其它新陈代谢途径有待探索;（2）anammox细菌在不同环境中分布的倾向性问题;（3）新型anammox细菌的确定。污水处理的实际应用方面的主要研究热点有：（1）anammox污泥的快速高效富集问题;（2）设计高特异性引物;（3）anammox细菌和其他微生物的共生关系。     

高活性厌氧颗粒污泥微生物特性和形成机理的研究

选择了几种生产废水和人工配水形成的厌氧颗粒污泥,进行了其微生物形态,特性和组成研究.成熟的颗粒表面电镜扫描观察表明,产甲烷索氏丝状菌是形成颗粒的主要细菌,在生长的后期相互缠绕形成拟颗粒状的菌团;八叠球菌在颗粒形成的初期也起到了一定的作用.本研究对人工配水颗粒污泥形成五阶段的污泥微生物组成和运行特点,以及“241”网状中空载体核对细菌的粘附作用等进行了初步观察.讨论了厌氧颗粒污泥形成必要的条件.     

基于新一代高通量测序的环境微生物转录组学研究进展

环境微生物转录组学是一门新兴学科,它以复杂环境样品中的微生物mRNA为研究对象,利用近年兴起的RNA-Seq高通量测序技术,在整体水平上对环境微生物的基因表达水平和调控规律进行研究.本文概述了环境微生物转录组研究从样品的采集保存、RNA提取、mRNA的富集、cDNA合成直到高通量测序及数据分析的基本流程.总结了该技术面临的主要瓶颈:环境样品mRNA含量低、腐植酸等干扰杂质多、rRNA去除程度有限.针对RNA的提取、纯化以及mRNA的富集这些重点步骤,详细阐述了近年来在提高mRNA的得率与纯度上的方法学进展.重点介绍了高通量测序数据的处理及分析方法,从测序数据的质量控制、序列组装、rRNA的鉴定及去除、功能基因注释及分类到差异表达基因的鉴定.最后总结了近年来环境微生物转录组学在新基因的发现、不同环境条件下微生物的基因表达及调控规律研究、有机物的代谢路径分析等3个主要研究领域的广泛应用.随着测序技术及生物信息学分析工具的发展进步,环境微生物转录组学将具有更广阔的应用前景.