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甲烷的生产特点和微生物群落动态Mono-Digestion使用三个单一肥料

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1环境与应用微生物重点实验室,成都生物研究所、中国科学院成都610041年,中国的公关

2环境微生物学四川省重点实验室,610041年成都,中国的公关

3CECEP绿色碳环境保护有限公司。

4山东民和生物科技有限公司,有限公司,265600年蓬莱,中国的公关

5湖南Co-Innovation动物安全生产中心,CICAPS,长沙410128年公关中国

*通讯作者:
判断严
环境与应用微生物重点实验室,成都生物研究所
610041年中国科学院成都,中国的公关
电子邮件: (电子邮件保护)

收到日期:25/05/2017;接受日期:24/07/2017;发表日期:31/07/2017

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文摘

这项研究调查了甲烷的生产特点和在厌氧微生物群落的组成monodigestion三个目标基板(鸡粪、猪粪和牛粪)半连续消化。牛粪的甲烷生产只有0.49 L / d,而鸡肉和猪粪为2.24 L / d和2.67 L / d,分别。条形码焦磷酸测序的原核微生物16 s rRNA基因DNA显示活跃的细菌种类检测所需修改底物的水解和活跃的热点人口属于产甲烷菌门Euryarchaeota,这是由甲烷八叠球菌属。主坐标分析显示有显著差异在三个单一肥料与原核的社区,和种子污泥群落结构的主要基质的适应。总的来说,vfa积累和产甲烷菌减少可能导致死亡的甲烷生产乳制品的肥料。

关键字

Mono-digestion、鸡粪、猪粪、牛粪,微生物群落,高通量测序

介绍

在中国,有14000头牲畜家禽养殖场与每年10%的速度增加,募集了超过5000头猪、400头牛和300000只鸡。饲养农场的快速增长带来了粪便污染导致产生有害气体和污染地下水1]。因此,利用肥料具有重要意义来改善环境和资源回收。厌氧消化(广告)过程是一种有效的方式来消化肥料和农业生产可再生燃料和营养。广告由一系列的反应,它是由一群混合微生物和有机物转化为甲烷的沼气逐步的方式。近年来,沼气工厂得到越来越多的关注,在中国迅速发展2]。相反使用合作消化在美国和欧洲或西方国家,在中国沼气工厂通常使用mono-digestion,如猪、乳制品或鸡粪作为广告基于当地的基质肥料的可用性。广告使用不同肥料基质遇到不同的问题,如启动时间长、低甲烷产量或过程不稳定。这些问题导致厌氧消化池失败,为沼气工厂带来经济损失。

到目前为止,许多研究已经进行了阐明这些问题;然而,他们中的大多数都建立在batch-scale广告(3- - - - - -7]。全面沼气发电厂通常使用半连续的广告,其中包括过程中活性污泥的冲刷。冲刷过程应该带动态的物理和化学性质的变化以及微生物commuities至关重要因素对于广告系统[8]。在奥得河perdormance改善广告过程,有必要找到不同基质的微生物群落的比较在相同的操作条件下(9- - - - - -12]。广告是一个复杂的过程,包括水解acidogenesis, acetogenesis和甲烷生成。众所周知,我们的细菌门变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌、Chloroflexi产甲烷菌MethanomicrobialesMethanosarcinales是最具代表性的成员参与了厌氧消化。但这些研究进行在一个batch-scale co-digestion系统和实时比较在不同的单一肥料是缺乏13- - - - - -16]。先前的研究已经表明,底物可能的关键因素影响微生物群落结构,这将导致甲烷生产和系统稳定性的差异不同mono-manure消化进度(17]。

在这项工作中,我们采取了鸡粪、猪粪和乳制品肥料,在中国三个最常见的肥料,是半连续广告原料在沼气的生产和研究甲烷产量的三个mono-manure消化过程以及测试浓度的动态变化和总氨氮(TAN)的浓度,在相同的操作条件下原核生物的群落结构。通过使用不同mono-manure消化系统,我们旨在(i)研究甲烷生产和生化的特征,(2)确定原核社区的动态变化,(3)揭示消化性能和原核生物的群落结构之间的相关性。这项研究清楚地解释了广告特点在三mono-manure消化系统,它将提供一个全新的理解的实现沼气发电厂。

材料和方法

收集和制备基质

鸡粪、猪粪、牛粪来自当地农场在双流,四川,中国,储存在4°C。厌氧消化池的污泥被接种与猪粪在当地沼气示范村庄在双流,中国。基质和污泥单独均质为进一步使用。基质和污泥的化学特征如表1所示。

实验是由使用相同四6 L消化器,每个鸡粪、猪粪、牛粪,分别控制。蒸煮器的原理图中给出图1。蒸煮器是由有机玻璃,蒸煮器的高度是34厘米,内径是15厘米,以及工作体积是4.8 l .喂入口设置的反应堆2厘米的高度,内直径1.5厘米。此外,蒸煮器是运行在352°C的温度控制的温度传感器,电热丝和恒温器。在实验的开始,4.8 L的污泥分别接种到四消化器。后7天内启动,这些消化器在半连续启动模式和三种消化器被喂以鸡粪、猪粪和牛粪,分别。第四,没有设置为控制排放和喂养。消化器被首先混合搅拌电机放电前20分钟50 rpm和喂养每天上午10点,在一个保守的有机加载速率为7.0 g / L和水力停留时间30 d。第二次混合时间是10:30点相同的气体体积流量计记录的方式。这些消化器被水密封。蒸煮器的压力由压力计监测。这些半连续消化器操作了33天。

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图1:蒸煮器的原理图

化学分析

沼气生产的数量从每个蒸煮器记录通过气体流量计(LML-1,中国)每一天。沼气中甲烷含量测定的气体色谱仪(GC)(美国安捷伦7890 a-tcd),探测器是浴室和进口和探测器的温度都是100°C,列是GDX-01温度为80°C。和载气的流量H28.78 mL / min和浓度是决定根据校准曲线。总固体(TS)和挥发性固体(VS)内容确定使用标准方法(APHA, 1998)。样本收集当天10,15日,21日,27日,32,然后样品离心10分钟在4800 r / min和上层清液测定vfa和棕褐色。vfa(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸)是衡量GC(美国安捷伦7890 a-fid),我们使用FID检测器,FFAP柱,它们的温度分别为250°C和140°C。载气是N2,它的流量27 mL / min,然后,氢气和空气的流速43.9毫升/分钟和159毫升/分钟,数据就是酸的总和。谭是根据标准测试方法(APHA, 1998)。消化池的pH值测量每两天使用一个酸度计(PHS-3C、梅州、中国)。

对扩增子焦磷酸测序样品制备

采集标本3,当天10,21岁。总DNA提取了CTAB磨削方法(1]。获得高通量测序,16 s rRNA基因放大使用原核的通用引物515 f (5′-GTGYCAGCMGCCGCGGTA-3′)和909 r (5′-CCCCGYCAATTCMTTTRAGT-3′)(针对16 s rRNA V4-V5地区基因)与一个十米级条形码在引物的5′端515 f (18]。在本文中描述的详细PCR条件(19]。条形码的扩增子汇集了克分子数相等的浓度的样品和使用Miseq测序平台(圣地亚哥Illumina公司Inc . CA)。

社区比较分析

原始序列排序基于一个独特的样本条形码,修剪序列的质量,运用QIIME管道(20.]。嵌合体序列被使用UCHIME算法(21]。接下来,序列是由全联集群的集群方法纳入QIIME管道。操作分类单元(辣子鸡)分类使用97%的身份作为截止16 s rRNA基因序列。香农多样性指数和Chao1估计量计算为97%序列身份在核糖体数据库项目管道(RDP) (http://pyro。cme.msu.edu/)。每个代表序列的系统发育关系进行了分析与RDP分类器在80%的置信水平。一个phylogenetic-based未加权的UniFrac距离度量分析,主坐标的分析(PCoA)进行评价微生物群落结构的差异(22]。

结果与讨论

甲烷的生成和化学特征不同的基质

消化器的表演美联储与鸡粪、猪粪、牛粪进行评估的基础上每日的浓度和体积甲烷生产(图2)。我们可以看到图2一个甲烷浓度,总体趋势是猪粪>鸡粪>牛粪。没有伟大的猪粪、鸡粪消化之间波动,基本上保持甲烷浓度在55%左右。然而,牛粪的甲烷浓度波动一点前7天,53±2%。然后显示出下降的趋势,并从16天保持在27%左右。更重要的是,甲烷与牛粪蒸煮器的成交量不高(图2 b)。日常甲烷体积的变化同意的甲烷浓度的三种肥料(图2 b),控制蒸煮器没有卸货,喂养产生微不足道的甲烷,这不是所示图2。鸡粪,每日平均甲烷产量为2.24 L,显示稳定的上升趋势在24天,然后略有下降后24天。它达到了一个峰值的3.1 L 24天。猪粪的日均甲烷生产2.67 L,第十天之前是不稳定的。20天之后,它成为了相对稳定的峰值3.57 L 23天。牛粪的日常生产甲烷,这是平均只有0.49 l .后第七天,牛粪的甲烷产量急剧下降,然后阻止下降天16的峰值出现在第一天1.54 l .为进一步解释的牛粪和其他两个基板之间的差异,棕褐色,pH值和vfa测试以及消化。

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图2:甲烷浓度和体积的日常生产进行鸡粪、猪粪和牛粪。(A)浓度的甲烷。(B)每日甲烷生产。

所示图3一图3 b,浓度和pH值的变化在消化器与三种不同基质代表类似的模式与甲烷生产、鸡肉和猪粪中的浓度和pH值通过整个过程保持大致相同,而VFA浓度增加,pH值在牛粪迅速下降,pH值大幅下降,导致周围不适合微生物的生长,从而解释牛粪7天后甲烷产量很低。产甲烷菌是活跃在pH值6.2和8,但最佳pH值7.0 - -7.2 (9),并可能降低pH值抑制产烷生物的牛粪。通常,牛粪消化过程稳定由于丰富的本土产甲烷菌的牛粪。因此,原因之一可能是由于过度使用抗生素导致高浓度的抗生素残留在牛粪23),对产甲烷菌的抑制作用导致(24),导致甲烷生产的表现不佳。另一个原因可能是在消化过程中氨碱度不足导致缺乏vfa的中和,造成pH值下降,从而影响产甲烷菌的生长,最终导致甲烷生产的表现不佳。

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图3:vfa浓度、pH值和褐色浓度在鸡粪进行消化,猪粪和牛粪。(一)vfa浓度。(B) pH值。(C)风扇的浓度。

图3 c,谭消化不同的底物浓度变化很大,在鸡粪TAN浓度最高,其次是猪粪、牛粪是最低的。棕褐色的NH4 +NH和游离氨(FA)4 +不是有害细胞,但英足总被建议作为一种主要的抑制剂。FA membrane-permeable自由;它将分散被动地进入细胞,然后导致质子失衡和缺钾25,26]。在这个工作中,谭浓度逐渐增加与鸡粪的消化,达到3411 mg / L 32天,鸡粪和FA的浓度是202 mg / L,由公式(1)计算。的相对丰度甲烷八叠球菌属在鸡粪是最高的,其公差FA 700 mg / L (27),所以它没有表现出谭抑制在消化过程中,这与本文的观察是一致的(28]。猪粪和牛粪与棕褐色浓度没有大的变化。因此谭浓度可能不是牛粪的糟糕表现的主要原因。

图像(1)

(FA)是游离氨的浓度。CA是棕褐色的浓度,KA NH的离解平衡常数38.9,pKA 37°C, (H +)可以由pH值计算。

原核微生物社区的比较分析

原核的扩增子焦磷酸测序微生物16 s rRNA基因应用于确定样本的微生物群落结构三种肥料的消化。为了确定社区成员的分类归属,所有合格的读取从每个样本都被分配到各自的分类排名从门到属的水平。原核微生物的相对丰度在样本所示门水平图4一。总的来说,相关的序列被发现是九门和大约14%的序列在每个样本不能归类到一个已知的门(图4一)。拟杆菌门和壁厚菌门是所有的样品的两个最丰富的类群,占45 - 70%的序列(图4一)。拟杆菌和细菌厚壁菌门门已经普遍观察到的是酸性的细菌降解纤维素和蛋白质(29日- - - - - -33]。这个观察同意前所述细菌社区在厌氧消化器壁厚菌门通常是主要的门(18,34]。另一个主要类群的样本包括在内变形菌门、Euryarchaeota螺旋体属Synergistetes,而小类群组成的放线菌、PlanctomycetesChloroflexi。在鸡粪消化过程中,转变与Euryarchaeota指出在活跃的社区结构,减少从10天3(22.1%)(17.3%),在21天,提高到24.5%。而Euryarchaeota牛粪消化的比例从22.9%大幅减少10 - 0.8%天21天,和猪粪消化从2.4%显著增加3天34.3% 21天,表明原核微生物具有不同代谢功能成为了鸡粪的关键球员在转换的过程中,猪粪和牛粪。众所周知,所有的产甲烷菌属于门Euryarchaeota [35]。考虑转变Euryarchaeota比例从22.9%天21天10至0.8%,进一步表现不佳的原因牛粪消化是代谢链的平衡被打破由于大幅减少主导的产甲烷菌门Euryarchaeota。

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图4:相对丰富的原核微生物16 s rRNA基因样本3天,10日和21的鸡粪、猪粪和牛粪根据RDP的分类(一)门和(B)属的水平。

结果在属水平所示图4 b。之间的差异相对丰度和组合观察时间和类型的样品,不到40%的总百分比分类原核微生物。一般来说,属微生物的相对丰度甲烷八叠球菌属最高(14.7 - 23.5%),除了在第三天猪粪和牛粪样本21天(< 1%)。虽然从属微生物的相对丰度甲烷八叠球菌属两个粪便样本,减少猪粪的甲烷生产没有减少的牛粪。可能的原因可能是其他产甲烷菌功能菌株出现在甲烷生成不减少猪粪的消化过程。的活跃人群各自的样本,梭状芽胞杆菌属是最普遍发现,占2.5 - -5.9% (图4 b)。属梭状芽胞杆菌包括一个已知的物种数量水解复杂的高分子化合物(36),结果表明,这些细菌导致了鸡粪的变换,猪粪和牛粪。包括确定的普遍属Ruminofilibacter、Pelotomaculum Syntrophomonas Sedimentibacter,密螺旋体属。成员在属Syntrophomonas,如Syntrophomonas wolfei参与syntrophic丁酸氧化为醋酸的后续消费acetoclastic产甲烷菌(37]。其他属典型的菌株Syntrophomonas,如ultunense梭状芽胞杆菌Syntrophaceticus schinkii参加syntrophic acetate-oxidising通路与hydrogenotrophic产甲烷菌(38,39]。

滞后时间是需要实现性能稳定的广告,和不同组的微生物的平衡建立了消化池在此期间(40- - - - - -42]。因此,种子的接种污泥消化池稳定运行是经常应用于加速启动一个新的蒸煮器,即使衬底在前面的类型和新的蒸煮器不同于对方。如果种子污泥引入蒸煮器治疗不同类型的基质、微生物群落可能变化的适应阶段的进展前衬底新的基质。研究人员(17)先后分析了产甲烷社区三个厌氧消化器处理不同类型的废水通过接种种子从城市污水污泥。在这项研究中,种子污泥来自相同的蒸煮器。因此,与所有其他条件保持不变,类型的衬底是主要因素驱动的出现不同的活性微生物成员进行水解,acidogenesis, acetogenesis和甲烷生成各自的基质。

就像我们所看到的那样,甲烷生产完成的产甲烷菌属于门Euryarchaeota。因此,产甲烷菌的组成在属水平进一步调查来评估微生物性能(图5)。在属水平,主要由产甲烷菌甲烷八叠球菌属、Methanobrevibacter Methanosphaera、甲烷细菌属MethanoculleusMethanosaeta甲烷八叠球菌属是最丰富的古细菌属三个粪消化系统。然而,有不同的变化甲烷八叠球菌属在三个粪消化过程。鸡粪消化系统,产甲烷社区过多了甲烷八叠球菌属第三天的相对丰度19.45%,下降到12.75% 10天,然后在21天增加到22.38%。猪粪消化系统,产甲烷社区过多了甲烷八叠球菌属第三天的相对丰度1.72%,增加到超过18%在接下来的几天里。然而,相对丰富的甲烷八叠球菌属在牛粪消化系统波动剧烈。它从17.48增加到21.36%,3 - 10天,21天急剧下降到0.59%,造成代谢链的不平衡的甲烷生成牛粪消化。因此,牛粪消化系统显示低甲烷的浓度和数量生产。根据先前的研究,三个主要基质可由产甲烷菌利用二氧化碳,醋酸和甲基的化合物(43]。基于底物利用率,产甲烷菌分为三组,hydrogenotrophic产甲烷菌,acetoclastic产甲烷菌和methylotrophic产甲烷菌。Hydrogenotrophic产甲烷菌和acetoclastic消化产甲烷菌是最常见的农业废弃物(24,44]。的代表甲烷八叠球菌属和Methanobrevibacter已经发现大量的消化器和沼气工厂(45,46]。

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图5:相对丰富的产甲烷菌16 s rRNA基因样品3天,10日和21的鸡粪、猪粪和牛粪根据RDP分类在属的水平。

在我们的研究中,acetoclastic产甲烷菌、甲烷八叠球菌属和Methanosaeta,hydrogenotrophic产甲烷菌、Methanobrevibacter Methanosphaera,甲烷细菌属Methanoculleus被发现的三个粪消化过程,表明甲烷methanogenetic途径共病有两种产品。然而,它的发现,三个粪消化系统是由属甲烷八叠球菌属,acetoclastic产甲烷菌负责大约70%的甲烷生产沼气反应器(47]。这个结果符合成立由Li [44)报道,acetoclastic甲烷生成可能是某些系统的主要途径,或者两者都用于甲烷生成途径。因此,结合vfa浓度在牛粪消化过程中,它可能会得出结论,vfa的积累是由氨碱度不足的牛粪,pH值降低,从而影响acetoclastic产甲烷菌的生长和甲烷八叠球菌属,最终导致甲烷生产的糟糕表现。

未加权的Unifrac分析被用在这项研究中,它表明各自的活跃的细菌和古细菌样本彼此远亲,说明二维PCoA情节(图6)。方差分析进一步证实各自活跃的细菌和古细菌样本之间的差异具有统计学意义(p < 0.01)。更重要的是,Unifrac比较分析表明,活跃的细菌和古细菌种群之间的特定群体参与每一个修改衬底的变换。原核社区不同样本之间的差异也证明了主坐标分析(PCoA)。它显示一个不同的社区结构的猪粪3天,10天鸡粪和牛粪21天(图6),表明显著变化(p < 0.001)有关的三种肥料之间原核的社区。相比之下,鸡肉和牛粪样本集群相对比从猪粪样品接近,这表明一个更动态变化的原核社区猪粪相比,与其他两个肥料有关。显然,3天,初始阶段的消化、猪粪的样品是分开两个肥料,显示,土著微生物在猪粪衬底大大改变了种子污泥的群落结构。过了一段时间,10和21天,消化的稳定阶段,所有样品除了牛粪21天紧密聚集,这表明,种子污泥群落结构的主要适应基质。因此,结果表明,合格种子污泥提供激活微生物mono-digestion系统是很重要的。因此,针对mono-digestion沼气发电厂的过程在中国,高性能种子污泥应该保证,但pH值的变化应该严密监控在整个消化过程。

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图6:微生物系统发育样本之间的距离在3天,10日和21的鸡粪、猪粪和牛粪作为由一个无关紧要的UniFrac PCoA。

结论

在这项研究中,生化的和原核社区广告的特点是在消化过程中系统研究了三种单一肥料。总的来说,鸡肉和猪粪和牛粪相比,获得了较高的甲烷产量超过2 L / d。和不同微生物的患病率成员mono-digestion系统已被证明是依赖于合格的种子污泥。因此,在中国沼气发电厂,高性能种子污泥应保证,但原料的pH值变化与牛粪等氨碱度不足整个消化过程中应密切监测。

确认

作者要感谢财政支持中国的国家科技支撑计划项目(2014 bac31b01和2014 bad24b01)和技术服务网络倡议(STS)中国科学院(kfj - sw - STS - 175和kfj - ew - STS - 121)。

引用

全球技术峰会