云南沼气发酵生态系统中微生物群落的时空动态研究

模拟云南3个代表性气候区域沼气发酵系统的自然环境，在实验室建立对应生态系统模型，以及模拟自然环境（simulated natural environments）的纯培养分离、培养体系；应用免培养分析法（culture-independent methods）和所建立的分离培养体系，对系统不同发酵时期微生物群落全面的微生物多样性（包括纯培养）、群落结构与功能的时空动态进行研究，同时记录发酵全过程非生物因子的动态，并通过生态因子综合分析，揭示系统厌氧消化过程中微生物群落的演替规律，包括生物因子间、生物因子与非生物因子间，以及非生物因子间的相关性，亦即系统蕴藏着的生态学基本问题；建立高效厌氧消化活性污泥富集、驯化与培养新方法，设计具有应用前景的高效沼气发酵系统，从而为规模化应用奠定基础；提出未培养微生物可培养策略，为云南沼气发酵相关微生物资源的收集、保藏、研究与利用奠定基础。

针对不同气候类型与地理区域条件下的沼气（厌氧）发酵生态系统中的微生物群落时空动态变化的生态学基本问题，并分析与探讨不同气候类型与地理区域条件下的沼气发酵生态系统中的微生物群落水平多样性及差异，与环境生物和非生物因子的相关性，以及导致微生物群落一致或差异的原因等科学问题，结合云南沼气发酵应用的独特地理、气候优势与特征，以及良好的前期工作基础（主持完成多项相关国家基金项目），认真开展了本项目的研究工作，并取得了系统的研究结果：○1应用微生物分子生态学的免培养分析方法（PCR-DGGE、rRNA分析法及二代高通量Illumina测序技术），对云南3个代表性气候地理区域沼气发酵系统的原核生物群落进行了时空动态研究（景洪、建水、丽江和香格里拉分别代表云南北热带、亚热带、南温带和北温带气候类型与地理区域，丽江为对照；云南西北部年平均气温<9 ºC；云南中部大部约15 ºC；云南南部>21 ºC；以便确保沼气发酵相关微生物来源的丰富性和异域气候、土壤、植被及动物区系的异质性，以及微生物区系的代表性；即是指空间区域的动态－spatial dynamics，以及其不同季节的时间动态- temporal dynamics）；○2并对原核生物群落时空动态与生物及非生物环境因子（参数）的相关性进行了统计学分析；○3在此基础上，模拟云南3个代表性气候区域批量沼气发酵系统（batch fermentation system）的自然环境（即是指空间区域的动态－spatial dynamics），在实验室建立起了对应的生态系统模型；○4并应用免培养分析法（PCR-DGGE、二代高通量Illumina测序技术）对模拟系统不同发酵时期（代表时间动态－temporal dynamics），尤其是各个关键时期微生物群落全面的微生物多样性、群落结构与功能的时空动态进行了研究；○5同时，记录发酵全过程非生物因子的动态，并通过生态因子综合分析，揭示了系统厌氧消化过程中微生物群落的演替规律，包括生物因子间、生物因子与非生物因子间，以及非生物因子间的相关性，亦即揭示了沼气厌氧发酵系统这个“黑箱”中蕴藏着的生态学基本问题；○6依据相关性分析结果，建立起了高效厌氧消化活性污泥富集、驯化与培养新方法，设计出了具有应用前景的高效沼气发酵系统，及其制定了发酵条件的最优监测与控制方案，并应用于云南沼气工程的建设，取得良好的社会