反硝化厌氧甲烷氧化过程的机理研究

甲烷是除二氧化碳外最重要的温室气体，其温室效应能力是二氧化碳的25倍，并且以各种形态在自然界中大量存在。本项目拟针对甲烷这一温室气体的生物化学转化问题，以反硝化厌氧甲烷氧化过程(DAMO)为研究对象，通过对不同种源的分子生物学筛选，在实验室实现DAMO菌群的高效快速富集；同时分析环境因素对微生物菌群的影响, 考察不同微生物种群(尤其是古菌)对DAMO过程的贡献以及不同菌群之间的相互作用机制，深入理解并阐述DAMO的代谢途径；最终对DAMO过程进行工程强化，用数学模型模拟和优化DAMO过程，为强化DAMO技术实现实际水体中甲烷泄露的调控提供科学依据.。研究成果将为控制及有效利用甲烷这一温室气体提供新的思路、方法和技术，具有重要的科学意义和实用价值。

温室效应导致全球气候异常现象日益严重，严重威胁人类生活甚至生存，如果温室效应能力很强的甲烷气体大量累积聚集在大气层中，必然对全球气候产生恶劣影响。针对这一现实问题，本项目拟通过深入研究反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）过程，确立微生物菌群的快速有效培养模式，优化微生物菌群生长条件，阐述不同微生物种群的内在作用机制，为DAMO过程的实际应用奠定基础，为研究全球C和N循环提供理论基础，具有深远的科学意义和实际社会效益。经过4年的工作，课题取得了以下成果：.1）.以废水厂污泥为种泥，提供氨氮，硝酸盐和甲烷，成功富集出了包含DAMO古菌、DAMO细菌和anammox细菌的混合菌群；.2）.利用中空纤维膜生物膜反应器系统富集DAMO-anammox混合菌群，发现该系统对废水中氨氮、硝氮和亚硝氮等不同组成成分的氮源污染物都有很好的去除效果。并且菌群分析发现，一些新的anammox属可能在反应器中被富集；.3）.通过加入石蜡油作为第二液相来促进甲烷气体的溶解，从而提高了DAMO菌群活性，并研究了体系中DAMO过程和anammox过程之间的相互作用；.4）.混合培养DAMO微生物与希瓦氏MR-1，并提供甲烷作为唯一电子供体，发现DAMO微生物与希瓦氏之间可能通过协同作用来催化铁还原过程；.5）.发现当提供乙酸盐或H2/CO2作为底物时，DAMO古菌并不具有代谢可逆性，不能在甲烷氧化和甲烷生成之间进行可逆转换；.6）.建立了以DAMO菌群为接种泥，甲烷为唯一电子供体的微生物燃料电池（MFC）体系。发现DAMO-MFC具有一定的产电性能，并且该MFC装置可以对DAMO古菌、细菌进行有效地分离；.7）.通过高通量测序分析，在某稻田环境中发现了DAMO微生物与anammox细菌的共存。这是第一次在环境中检测到该三种微生物的共存现象；.8）.基于DAMO古菌16s rRNA序列设计了新的PCR引物，用于对DAMO古菌进行检测和定量分析。通过这些新引物及后续的进化分析，在多种环境中都发现了DAMO古菌，说明DAMO古菌或许广泛存在于自然环境中；.9）.设计了适用于检测DAMO和anammox微生物的高通量测序通用引物。该引物能够同时检测古菌和细菌，且具有较小的偏好性