产氢菌XL1低温下提高产甲烷的微生物学影响机制研究

Point to the result of adding Enterococcus sp.XL1 which improve methane yield under low-temperature fermentation,combined with climatic characteristics in Xinjiang and methane fermentation characteristics，the microbiological mechanism of Enterococcus sp.XL1 on increasing methane production at low temperature is to be studied. The study will focus the relationship between Enterococcus sp.XL1 and H2、CH4 yield changes under the low-temperature conditions and different metabolic stages.Dynamic monitoring and analysing changing rules of microbial flora and metabolic function diversity in low temperature biogas fermentation under the conditions of adding different Enterococcus sp.XL1 concentration by molecular ecological methods (Hiseq 2500high-throughput sequencing,PCR-DGGE,T-RFLP, Real-time quantitative PCR technology，etc.) and BIOLOG microplate technique,especially focusing on study of the hydrogen production bacteria and methanogenic archaea.exploring the microbiological effect mechanism of Enterococcus sp.XL1 to increasing yield of methane at low-temperature.The study will provide theoretical references for efficient and controllable biogas fermentation in cold north areas.

针对沼气反应器中添加产氢菌（Enterococcus sp.）XL1在低温条件下显著提高沼气产量的研究结果，结合新疆气候特点及沼气发酵特性，对产氢菌XL1低温下提高产甲烷的微生物学机制进行研究。本研究在低温条件下（15℃），进行沼气反应器不同处理（添加不同浓度产氢菌XL1）的H2及CH4产量变化相关性分析；同时，应用分子生态学技术（Hiseq2500高通量测序、PCR-DGGE、T-RFLP、实时荧光定量PCR技术等）及BIOLOG微平板技术，对添加产氢菌（Enterococcus sp.）XL1条件下低温沼气微生物优势菌群及代谢功能多样性变化规律进行动态监测分析，重点对氢营养型产甲烷菌群变化规律进行研究；探索产氢菌XL1低温下提高产甲烷的微生物学影响机制。为低温沼气促进菌剂的制备和完善，提高沼气池的产气率和利用率提供理论支持。

本项目针对在低温条件下（15℃）沼气反应器中添加产氢菌（Enterococcus sp.）XL1能够显著提高沼气产量这一研究结果，同时结合新疆气候特点及沼气发酵特性，对产氢菌XL1与甲烷菌之间的作用机理进行研究：1.菌株XL1的鉴定、生理生化特性及发酵条件的研究：菌株XL1的菌落形态小而平、透明、呈白色；最适培养温度为30℃，最适培养pH为7.0；对混合氮源的利用好于单一氮源，对麦芽糖效果好于蔗糖和葡萄糖。2.探究添加菌株XL1对牛粪低温沼气发酵过程中产气量变化的影响：添加1%、5%和10%菌体XL1时，发酵过程中的产气量显著高于对照组（CK），且菌体XL1的添加量为10%时（尤其在发酵60d时）产气效果则最高。3.添加菌株XL1对低温沼气发酵过程中微生物菌群变化规律的影响分析：尽管发酵0-30d处于发酵启动期，产气缓慢，但相对CK处理组样品，添加菌株XL1的处理组样品中部分具有降解多糖等物质和发酵产酸等细菌群的相对丰度则明显增加，这些细菌类群在前期发酵过程中物质的转化利用后发挥重要作用，但相对细菌群落变化，随着发酵时间的增加，能够利用H2或甲酸盐作为电子供体将CO2还原生成CH4的甲烷微菌目类群的丰度显著增加。4.目标菌在牛粪低温沼气发酵过程中的变化规律分析：利用QT-PCR技术监测，发酵60d时（产气高峰期），各处理组的甲烷八叠球菌属Copies最多，且在发酵60 d时，各处理甲烷八叠球菌属的Copies增加量也最大。5.利用宏基因组学方法分析牛粪低温沼气发酵优势组微生物菌群组成：进一步验证了在低温发酵过程中，添加适量产氢菌XL1可增加甲烷菌的数量，使其在微生物群落中占据更大优势，进而增加沼气总产气量提高沼气的综合效益，而通过代谢通路得预测，牛粪低温沼气发酵过程微生物主要以碳水化合物代谢、氨基酸代谢和能量代谢为主。