微生物電化學系統(tǒng)（Microbial electrochemical systems,MESs）作為新興的廢水處理、生物修復和能源再生技術(shù),近年來被廣泛研究。MES最主要的構(gòu)型包括微生物燃料電池（MFC）和微生物電解池（MEC）。MES系統(tǒng)的性能依賴于電極生物膜微生物群落組成。系統(tǒng)構(gòu)型、電極材料和生態(tài)因子等影響MES的微生物群落結(jié)構(gòu)及胞外電子傳遞代謝。電極生物膜種群互作機制和不同生態(tài)條件下胞外電子轉(zhuǎn)移代謝的調(diào)控機制,仍是提高MES性能亟待解決的科學難題。本研究旨在探究MFC系統(tǒng)微生物基因表達在產(chǎn)電過程中的變化規(guī)律,解析電極微生物代謝過程中種群變化和胞外電子轉(zhuǎn)移相關(guān)基因;探索鐵離子對MFC系統(tǒng)效能和電極生物膜群落組成的影響;揭示MEC系統(tǒng)產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷過程中電極微生物的群落互作關(guān)系,為MES體系的完善提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。為了解析底物限制條件下MFC電極微生物代謝機制,利用宏轉(zhuǎn)錄組學揭示間歇式多陽極MFC陽極生物膜的功能基因與胞外電子轉(zhuǎn)移相關(guān)基因表達差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在底物利用不同階段,12 h與34 h相比,功能基因下調(diào)表達的數(shù)量為9867個,上調(diào)表達的有2744個;與44 h相比,上調(diào)表達... 

【文章頁數(shù)】：149 頁

【學位級別】：博士

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摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 微生物電化學系統(tǒng)技術(shù)原理及功能微生物
        1.2.1 微生物電化學系統(tǒng)原理
        1.2.2 微生物電化學系統(tǒng)中微生物參與的主要代謝過程
        1.2.3 電化學活性微生物的胞外電子傳遞機制
    1.3 影響微生物電化學系統(tǒng)胞外電子傳遞的因素
        1.3.1 底物對產(chǎn)電性能的影響
        1.3.2 生態(tài)因子對電化學活性微生物的影響
        1.3.3 電極條件的影響
        1.3.4 電子介體促進胞外電子的轉(zhuǎn)移
    1.4 微生物電化學系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)與種群互作關(guān)系研究
        1.4.1 微生物群落結(jié)構(gòu)分析方法
        1.4.2 微生物種群互作及代謝調(diào)控研究進展
    1.5 微生物電解池產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的研究現(xiàn)狀
        1.5.1 底物利用范圍
        1.5.2 產(chǎn)甲烷現(xiàn)狀分析
        1.5.3 產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷面臨的問題
    1.6 本課題研究內(nèi)容
        1.6.1 課題來源
        1.6.2 本課題研究內(nèi)容
        1.6.3 本課題技術(shù)路線
第2章 實驗材料與方法
    2.1 微生物電化學系統(tǒng)的構(gòu)建和運行
        2.1.1 多陽極微生物燃料電池反應器的構(gòu)建及運行
        2.1.2 空氣陰極微生物燃料電池反應體系的構(gòu)建
        2.1.3 生物陰極微生物燃料電池反應器的構(gòu)造和運行
    2.2 分析和檢測方法
        2.2.1 氣體檢測
        2.2.2 生物化學分析
        2.2.3 電化學分析與計算
        2.2.4 生物膜成像
    2.3 分子生物學檢測及數(shù)據(jù)處理
        2.3.1 基因組DNA的提取
        2.3.2 RNA提取
        2.3.3 熒光定量PCR分析
        2.3.4 16S rDNA測序
        2.3.5 cDNA文庫構(gòu)建和測序
        2.3.6 測序后數(shù)據(jù)處理與分析
第3章 底物利用過程中胞外電子傳遞代謝調(diào)控機制
    3.1 引言
    3.2 多陽極微生物燃料電池反應器的電化學性能
    3.3 電極生物膜生長過程
    3.4 微生物燃料電池的底物利用效能
    3.5 基因表達水平分析
    3.6 與胞外電子傳遞相關(guān)的微生物群落組成及變化
    3.7 不同代謝通路中功能基因的表達差異
        3.7.1 功能基因表達
        3.7.2 胞外電子傳遞相關(guān)的差異功能基因分析
    3.8 本章小結(jié)
第4章 鐵離子對微生物胞外電子傳遞的影響
    4.1 引言
    4.2 Fe(Ⅱ)對微生物燃料電池反應器性能和電極生物膜的作用
        4.2.1 Fe(Ⅱ)濃度對微生物燃料電池反應器電化學性能的影響
        4.2.2 電極生物膜群落組成解析
    4.3 Fe(Ⅲ)對微生物燃料電池反應器性能和電極微生物的影響
        4.3.1 Fe(Ⅲ)對微生物燃料電池電化學性能的作用
        4.3.2 電極微生物對Fe(Ⅲ)濃度的響應
    4.4 本章小結(jié)
第5章 種群互作促進微生物電解池利用剩余污泥產(chǎn)氫烷
    5.1 引言
    5.2 Fe(0)促進微生物電解池利用剩余污泥產(chǎn)氫氣
    5.3 生物陰極微生物電解池利用堿處理剩余污泥產(chǎn)氫烷
        5.3.1 氫烷產(chǎn)率及氣體組成分析
        5.3.2 堿處理促進微生物電解池有機物的降解
    5.4 微生物電解池電極微生物的群落組成及互作關(guān)系
        5.4.1 細菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性
        5.4.2 古菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性
        5.4.3 生物陰極微生物電解池的微生物功能解析
    5.5 本章小結(jié)
結(jié)論
展望
參考文獻
攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝
個人簡歷


【參考文獻】：
期刊論文
[1]納米零價鐵在環(huán)境中的毒性研究進展[J]. 夏澤陽,劉愛榮.  生態(tài)毒理學報. 2017(05)
[2]不銹鋼氈電極MEC甲烷原位純化及原理[J]. 薄濤,翟洪艷,季民.  環(huán)境科學學報. 2017(11)
[3]微生物電解釀酒廢水高效產(chǎn)甲烷[J]. 孫霞,徐占成,向元英,劉建,高平,李大平.  應用與環(huán)境生物學報. 2016(06)

博士論文
[1]三價鐵離子對微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響機制[D]. 趙亞楠.江南大學 2017
[2]廢水反硝化脫硫工藝功能微生物分布規(guī)律及調(diào)控機制研究[D]. 黃聰.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[3]生物質(zhì)微生物電解池強化產(chǎn)氫及陽極群落結(jié)構(gòu)環(huán)境響應[D]. 路璐.哈爾濱工業(yè)大學 2012
[4]微生物燃料電池中多元生物質(zhì)產(chǎn)電特性與關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 王鑫.哈爾濱工業(yè)大學 2010
[5]微生物燃料電池處理有機廢水過程中的產(chǎn)電特性研究[D]. 尤世界.哈爾濱工業(yè)大學 2008



本文編號：3700067