微生物群落分布对“修复类”沼气碳汇项目甲烷转化和排放通量的影响及机理研究

This study aims at and tries to solve the bottle neck during the methodology exploration of the carbon finance project on dysfunctional bio-digesters reactivation. Based on the pilot project and experience, three classical biogas fermentation systems will be selected as the researching platforms, and pig dung as the raw material. The impacts of biological factors, non-biological factors and their collaborative effects on methane production capacity and methane conversion routes will be studied, as well as the inner relationship between methane conversion routes and microbial distribution. The mechanism study on the impact of microbial distribution, methane conversion routes and their contribution, and other non-biological factors on net emission of Green House Gas from anaerobic digestion system will be conducted to clarify the function and theory of Methane Conversion Factor (MCF), the core index of new methodology establishment. The research result of this project will be adopted to explore and adjust the new methodology of carbon finance project on dysfunctional bio-digesters reactivation, and provide the theoretical reference and methodology base for large scale dissemination in the future.

本选题瞄准并旨在解决当前“沼气池修复”类碳金融项目的方法学开发瓶颈问题。在前期研究和项目实践的基础上，按照地理区划选择三种典型沼气发酵生态系统模型为研究平台，以猪粪为主要消解原料，研究生物因子和非生物因子及其协同作用对甲烷生成能力和甲烷产生途径的影响，分析不同途径产甲烷贡献率与微生物群落分布的内在联系，从机理研究中总结出微生物群落分布、甲烷产生途径及其产甲烷贡献率在不同环境条件下对厌氧发酵温室气体（GHG）排放净值的影响机制，明确“甲烷转化因子（MCF）”这一新方法学开发核心指标的建立原则，并对新方法进行验证。课题的研究结果将为沼气池修复类碳金融项目新方法学的开发、修正和未来在适宜地区规模化推广应用提供必要的理论依据和方法学基础。

工业革命以来，随着人类活动的不断增强，加剧了全球气候变暖以及极端气候事件的发生。因此，研究有机废弃物在不同环境下的甲烷转化机制，对于解决人类活动造成的环境污染问题，以及定量估算甲烷的排放量，控制温室气体排放，减缓温室效应具有重要意义。.主要研究内容：采用稳定碳同位素比值分析方法，揭示甲烷生成代谢途径的演变；采用微生物分子学技术监测甲烷生成代谢过程中微生物群落结构的变化；最后，分析甲烷生成代谢途径与代谢过程中微生物群落变化之间的内在关系，以此明确甲烷生成代谢机制。.重要研究结论：.1、甲烷生成过程中碳同位素的流动变化导致了不同甲烷代谢途径对产甲烷总量的贡献的变化，并且在同一系统中不同厌氧消化阶段代谢途径对产甲烷总量的贡献也发生着变化。主要表现为：例如，以餐厨垃圾作为发酵原料时，系统进入到稳定产甲烷期CO2还原途径对产甲烷总量的贡献在各温度条件下所占比重分别为46.12%、30.40%和36.89%，整个发酵过程中贡献率始终小于50%，说明各实验组在产甲烷过程中主要以乙酸裂解途径产甲烷为主导途径。.2、微生物群落结构多样性组成变化测定结果：①微生物群落结构组成随着温度的改变而发生变化，温度变化越大，微生物群落多样性差异越大。②各实验组的优势菌主要有拟杆菌目（Bacteroidales）、甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）、梭菌目（Clostridiales）三类，且在不同的发酵阶段相对丰度都大于10%。③在各实验组中均检测到了甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）和甲烷微菌目（Methanomicrobiales），属水平上检测到的甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）、第七产甲烷菌属（Methanomassiliicoccus）、甲烷挑选菌属（Methanoculleus）、甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）所占比重均大于10%，为主要的优势菌。.3、微生物群落结构的变化会对系统日产气量、甲烷含量、碳同位素分馏等产生影响；温度的变化导致系统中产气情况、产甲烷代谢途径以及微生物群落结构多样性变化；在同一系统中，随着发酵时间的延长，微生物相对丰度也会发生变化，产气特性与甲烷代谢途径随发酵时间的延长呈现出规律性演替。