【摘要】：工業(yè)革命以來(lái),隨著人類活動(dòng)的不斷增強(qiáng),CO_2和CH_4等溫室氣體在大氣中的濃度增加,加劇了全球氣候變暖以及極端氣候事件的發(fā)生,其中甲烷氣體對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)在主要溫室氣體中排第二位,對(duì)氣候變化有著深遠(yuǎn)的影響。甲烷氣體的排放主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、有機(jī)廢棄物以及能源的利用,其中人類生活產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物因不合理的堆放和填埋,生成的甲烷氣體直接排放到大氣中,產(chǎn)生的碳排放量對(duì)氣候變暖的貢獻(xiàn)不可忽略。另外,人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的有機(jī)廢棄物給環(huán)境帶來(lái)的有機(jī)污染也是當(dāng)前人們需要解決的環(huán)境問(wèn)題之一。因此,研究人類生活廢棄物在不同的環(huán)境下,甲烷的轉(zhuǎn)化差異和生成機(jī)制,對(duì)于解決有機(jī)廢棄物造成的環(huán)境污染問(wèn)題,以及定量估算甲烷的排放量,控制溫室氣體排放,減緩溫室效應(yīng)具有重要的意義。本試驗(yàn)采用穩(wěn)定碳同位素比值分析方法,揭示甲烷生成代謝途徑的演變,采用微生物分子學(xué)技術(shù)監(jiān)測(cè)甲烷生成代謝過(guò)程中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。最后,分析甲烷生成代謝途徑與代謝過(guò)程中微生物群落變化之間的內(nèi)在關(guān)系,以此明確甲烷生成代謝機(jī)制。由于溫度是影響有機(jī)質(zhì)降解的一項(xiàng)重要參數(shù),因此本研究通過(guò)設(shè)置不同的溫度條件,探討了溫度對(duì)人類生活中產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物產(chǎn)甲烷的影響。主要研究結(jié)論如下:1、在不同環(huán)境條件下,人類生活產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物生成甲烷時(shí)的甲烷轉(zhuǎn)化率差異顯著,將溫度分別控制在25℃、35℃和40℃對(duì)十字花科蕓薹屬的廢棄蔬菜和人類日常生活中產(chǎn)生的餐廚垃圾進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn),研究溫度對(duì)厭氧環(huán)境中有機(jī)物降解的產(chǎn)氣特性得出:兩種有機(jī)物原料在35℃條件下,其總產(chǎn)氣量、TS/VS產(chǎn)氣率、穩(wěn)定時(shí)期的CH_4平均含量,以及總CH_4量均高于25℃和40℃條件下的實(shí)驗(yàn)組,說(shuō)明在厭氧消化降解有機(jī)質(zhì)時(shí),將溫度設(shè)置為35℃時(shí)產(chǎn)氣效果較好;相同溫度條件下,對(duì)比兩種有機(jī)物原料的產(chǎn)氣潛力,發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾厭氧分解產(chǎn)氣過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo)高于蔬菜有機(jī)質(zhì),產(chǎn)氣效果更好;另外還發(fā)現(xiàn),在以餐廚垃圾作為原料進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn),將溫度控制在40℃時(shí),系統(tǒng)中揮發(fā)性有機(jī)酸含量(VFA)一直處于較高水平,日產(chǎn)氣量較低。2、通過(guò)對(duì)兩類有機(jī)廢棄物在不同環(huán)境下產(chǎn)甲烷時(shí)氣體中的碳同位素研究發(fā)現(xiàn),甲烷生成過(guò)程中碳同位素的流動(dòng)變化導(dǎo)致了不同甲烷代謝途徑對(duì)產(chǎn)甲烷總量的貢獻(xiàn)的變化,并且在同一系統(tǒng)中厭氧消化階段不同,甲烷代謝途徑對(duì)產(chǎn)甲烷總量的貢獻(xiàn)也發(fā)生著變化。主要表現(xiàn)為:蔬菜在發(fā)酵前期階段,甲烷的生成代謝途徑中的CO_2還原途徑比重最大,該途徑對(duì)產(chǎn)甲烷總量的貢獻(xiàn)在25℃、35℃、40℃條件下所占的比重分別為50.82%、35.69%和84.66%;餐廚垃圾作為發(fā)酵原料時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入到穩(wěn)定產(chǎn)甲烷期CO_2還原途徑的貢獻(xiàn)較大,CO_2還原途徑對(duì)產(chǎn)甲烷總量的貢獻(xiàn)在各溫度條件下所占比重分別為46.12%、30.40%和36.89%,整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中貢獻(xiàn)率始終小于50%。各實(shí)驗(yàn)組在厭氧消化過(guò)程中CO_2還原途徑對(duì)產(chǎn)甲烷總量的貢獻(xiàn),隨著時(shí)間的變化,除了蔬菜在發(fā)酵前期貢獻(xiàn)率為84.66%,其他均小于50%,說(shuō)明各實(shí)驗(yàn)組在產(chǎn)甲烷過(guò)程中主要以乙酸裂解途徑產(chǎn)甲烷為主導(dǎo)途徑。3、為了進(jìn)一步研究有機(jī)廢棄物在甲烷生成過(guò)程中的甲烷轉(zhuǎn)化機(jī)制,對(duì)系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性組成進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn):(1)微生物群落結(jié)構(gòu)組成隨著溫度的改變而發(fā)生變化,溫度變化越大,微生物群落多樣性差異越大。(2)各實(shí)驗(yàn)組的優(yōu)勢(shì)菌主要有擬桿菌目(Bacteroidales)、甲烷八疊球菌目(Methanosarcinales)、梭菌目(Clostridiales)三類,且在不同的發(fā)酵階段相對(duì)豐度都大于10%,且溫度的改變對(duì)主要優(yōu)勢(shì)菌的影響不大;各實(shí)驗(yàn)組的亞優(yōu)勢(shì)菌主要有Synergistales、Pseudomonadales、Spirochaetales、Selenomonadales、Enterobacteriales、Burkholderiales等,且溫度的改變對(duì)亞優(yōu)勢(shì)菌的影響較大。(3)在各實(shí)驗(yàn)組中檢測(cè)到了甲烷八疊球菌目(Methanosarcinales)和甲烷微菌目(Methanomicrobiales),其中甲烷八疊球菌目(Methanosarcinales)為主要的產(chǎn)甲烷古生菌,屬水平上檢測(cè)到的甲烷桿菌屬(Methanobacterium)、甲烷短桿菌屬(Methanobrevibacter)、第七產(chǎn)甲烷菌屬(Methanomassiliicoccus)、甲烷挑選菌屬(Methanoculleus)、甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina)所占比重均大于10%,為主要的優(yōu)勢(shì)菌。在餐廚垃圾為原料的實(shí)驗(yàn)中,25℃條件下檢測(cè)到甲烷桿菌目(Methanobacteriales),在其他實(shí)驗(yàn)組未被檢測(cè)到;在餐廚垃圾為原料的實(shí)驗(yàn)中,40℃條件下檢測(cè)到第七產(chǎn)甲烷菌目(Methanomassiliicoccales),其他實(shí)驗(yàn)組中未被檢測(cè)到。4、微生物群落結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響系統(tǒng)中日產(chǎn)氣量、甲烷含量、碳同位素分餾,微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性越豐富,日產(chǎn)氣量越大,甲烷含量則降低;溫度的改變影響著系統(tǒng)中產(chǎn)氣情況、產(chǎn)甲烷代謝途徑以及微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性差異,但在本研究所設(shè)置的溫度范圍內(nèi),產(chǎn)氣情況、產(chǎn)甲烷代謝途徑和微生物群落結(jié)構(gòu)并沒(méi)有隨著溫度的變化呈現(xiàn)顯著的規(guī)律性變化,原因是本研究所設(shè)置的溫度跨度不大,且都在中溫范圍內(nèi);在同一系統(tǒng)中,隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),微生物物種的相對(duì)豐度發(fā)生了變化,厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)氣特性與甲烷代謝途徑隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出規(guī)律性演替。
【學(xué)位授予單位】：云南師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：Q938;X701
【圖文】：

圖 1.1 二氧化碳和甲烷排放量[6-7]另外，《京都議定書》中規(guī)定了清潔發(fā)展機(jī)制（Clean DevelopmentMechanism，CDM） ，由發(fā)達(dá)國(guó)家提供資金和技術(shù)，幫助發(fā)展中國(guó)家在境內(nèi)開展碳減排項(xiàng)目，其中碳減排量計(jì)算方法學(xué)是 CDM 項(xiàng)目的主要內(nèi)容之一[9]。碳減排量計(jì)算過(guò)程涉及眾多指標(biāo)控制，尤以甲烷轉(zhuǎn)化因子(MCF)最為關(guān)鍵，MCF 變化的實(shí)質(zhì)是由微生物介導(dǎo)的產(chǎn)甲烷貢獻(xiàn)率的差異性造成的。MCF 是指有機(jī)質(zhì)中總能量轉(zhuǎn)化為 CH4的百分比，是溫室氣體排放量計(jì)算的重要參數(shù)。文獻(xiàn)研究[10]表明 MCF 值會(huì)受到溫度、滯留時(shí)間、管理方式等非生物因子的影響，同時(shí)所有非生物因子影響的實(shí)質(zhì)是其能夠?qū)е虏煌x途徑的產(chǎn) CH4貢獻(xiàn)率發(fā)生改變。因此，研究不同環(huán)境下甲烷轉(zhuǎn)化的差異和機(jī)制，對(duì)于揭示 MCF 變化規(guī)律，明確碳減排計(jì)算過(guò)程中的控制指標(biāo)，指導(dǎo)節(jié)能減排，控制溫室氣體排放具有重要意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

第 1 章 緒論乙酸激酶和磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶，CoA-SH 轉(zhuǎn)化為乙酰-CoA 和磷酸，乙酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶 A 需要 Methanosarcina spp.中 ATP 的一個(gè)富含能量的磷酸鍵。Methanosaetaspp.利用乙酰-CoA 合成酶通過(guò) 2 分子的 ATP 催化乙酸轉(zhuǎn)為乙酰輔酶 A[35]，乙酰輔酶A再由一氧化碳脫氫酶-乙酰輔酶A催化，CO脫氫酶復(fù)合體催化乙酰輔酶A的斷裂，生成甲基基團(tuán)、羧基基團(tuán)和輔酶 A，這些物質(zhì)暫時(shí)與酶結(jié)合，然后羧基基團(tuán)氧化形成 CO2，產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移給鐵氧化蛋白，甲基轉(zhuǎn)移給 H4SPT 生成甲烷[38]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2713863