基于产氢功能基因组学的产氢群落解析及高效菌群构建

Building high efficient hydrogen producing microbial community structure to improve the efficiency of hydrogen production system with the lowest operation and production cost as possible is an important way to promote the development and industrialization of bio-hydrogen production technology. In this study, the newly discovered 6 highly conserved regions of [FeFe]-hydrogenase protein will be used to design hydrogen producing functional gene degenerate primers with better amplification efficiency and accuracy. Then, the degenerate primers will be examined, compared and selected with different pure- and mix-culture samples. At last, a new high efficient and rapid molecular diagnosis method based on hydrogen production functional genomics will be established combined with high-throughput sequencing technology. In another hand, microbial-augmentation will be performed using high efficient bacteria Clostridium beijerinckii RZF-1108, and operating parameters and environmental factors will be optimized to increase the H2 production capability. Meanwhile, using the new molecular diagnostic method, more intuitively and accurately explore the relationship between dosing bacteria and originals in the high efficient community building process, describes the evolution and development process of the microbial community structure disturbed by environment factors, and obtain the regulation countermeasures of microbial-augmentation in the continuous flow biological hydrogen production reactor. This study provides preliminary basis and technical support for the industrial development of bio-hydrogen production.

在尽可能控制运行和生产成本的同时，通过菌群调控手段，构建高效优势产氢微生物群落结构，大幅提高系统产氢效率是推动生物制氢技术发展和工业化的重要方式。本课题利用最新发现的[FeFe]-氢化酶蛋白的6个高度保守区域，设计兼顾扩增效率和准确性的产氢功能基因简并引物，使用纯培养和不同混合菌群进行考察、比较和优选，再结合高通量测序技术，建立基于产氢功能基因组学的高效快速分子诊断新方法。使用微生物人工强化在生物制氢系统中投加高效产氢细菌拜氏梭菌RZF-1108，再通过运行参数优化和环境因子扰动等方式进一步提高系统稳定性和产氢效率。同时，使用构建的快速分子诊断方法，更加直观和准确的探讨在构建高效产氢群落过程中，投加产氢菌与系统原有菌群之间的互作关系，阐述在环境因子扰动时产氢系统中微生物群落结构的更替和演化，获得连续流生物制氢反应器微生物强化和调控对策，为生物制氢的工业化发展，提供前期基础和技术支持。

发酵法生物制氢利用产氢细菌以有机废水或废弃物中的有机质为底物，进行生长和代谢释放出可以被利用的氢气。该方法可以很好实现有机污染物的资源化和质能化，生物方法较传统的化石能源具有很好的环境友好性，是一种很好的未来储备能源。以混合菌群进行发酵制氢的微生物容易受外界干扰而发生菌群结构的演替变化，进而影响系统的产氢效率。为了进一步提高系统产氢效率，在尽可能控制成本的同时，通过菌群调控手段，构建高效优势产氢微生物群落结构，可以很好的解决这一问题。本课题利用加热方法对接种污泥进行前处理，利用CSTR反应器进行混菌丁酸型发酵产氢反应器的启动和运行实验研究，调节并优化运行参数，并利用丁酸型发酵产氢菌Clostridium beijerinckii进行生物强化，大幅提升系统的产氢效率。针对丁酸型发酵产氢细菌氢化酶高度保守区域构建hydA基因的简并引物，结合16S rDNA高通量测序技术，对在反应器启动和强化阶段，系统中的微生物菌群变化和演替情况进行监测与解析。发现，投加梭菌属产氢细菌可以明显影响系统中微生物的菌群结构，提升产氢菌的比例，促进产氢。同时，利用本课题的研究基础，发现2个Clostridium新菌种，命名为C. guangxiense和C. neuense。两个新菌种的发现丰富了发酵产氢细菌种类，对其产氢特征的研究也已经开展。依托本基金项目，还开展了金属离子对发酵产氢细菌产氢特性和产氢促进作用实现机理的研究，发现，亚铁和镁离子可以很好的促进产氢细菌的生物量增加，促进氢气的释放，但是对产氢功能基因的表达的影响有明显差异。本项目在群落水平、细胞水平和基因水平多层面开展研究，有助于阐述环境因子扰动对系统中微生物群落结构的更替和演化，获得连续流生物制氢反应器生物强化调控对策，并获得环境因子对纯培养产氢细菌释氢促进机理解析，为生物制氢的工业化发展，提供前期基础和技术支持。