基于微生物种群生态互作关系的湿地甲烷厌氧氧化强化机理研究

The wetland system is the most important emission source of methane in nature, and anaerobic oxidation of methane (AOM) has shown to be important to mitigate the methane emissions from wetland to atmosphere. However, due to the limited types and concentrations of soluble electron acceptors in the wetland system, the rate of AOM is relatively low. Aiming at improving the AOM rate, the syntrophic symbiotic relationship between microbial communities was constructed and enhanced. Therefore, the AOM with solid physical anode as electron acceptor could be realized. The present research focused on construction of engineered archaeal strain to produce methyl-coenzyme M reductase, cultivation of syntrophic symbiotic consortium for AOM and construction of microbial electrochemical system to generate electricity from methane. Firstly, the optimal mode for AOM based on reversal methanogenesis pathway will be established. Furthermore, the predominant microorganisms participate in AOM and electricity production, as well as syntrophic effect of symbiotic microorganisms for anaerobic methane oxidation will be clarified. The present research provides a theoretical basis for reducing methane emissions from wetlands through syntrophic symbiotic relationship between anaerobic methanotrophic archaea and exoelectrogens.

湿地系统是自然界中甲烷最主要的排放源，研究证明甲烷厌氧氧化（AOM）对于降低甲烷排放通量具有重要意义，但受限于湿地系统中可溶性电子受体的种类与浓度，导致AOM速率较低。本课题提出通过构建和强化微生物种群生态互作关系的方法提高甲烷厌氧氧化速率，实现以固态物理阳极为电子受体的AOM，解决因电子受体形态及浓度受限而导致的甲烷氧化速率低的问题。围绕甲基辅酶M还原酶基因工程菌株的构建、AOM互养共生体系的培养及以甲烷为底物产电的微生物电化学系统的构建等内容开展研究。建立基于逆甲烷生成途径的甲烷厌氧氧化过程的最佳模式，解析微生物电化学系统内参与甲烷厌氧氧化及产电过程的关键微生物的种类，阐明互养共生菌群厌氧氧化甲烷的协同机制，为甲烷厌氧氧化菌-产电菌互养共生体系消减湿地甲烷排放通量提供理论基础。

厌氧甲烷氧化（Anaerobic oxidation of methane, AOM）是自然界减少甲烷排放通量的重要途径之一，但受限于可溶性电子受体的种类与浓度，导致AOM速率较低。本项目提出以固态物理阳极为电子受体，在微生物电化学系统内实现基于厌氧甲烷氧化反应的产电过程，解决因电子受体形态及浓度受限而导致的甲烷氧化速率低的问题，同时为扩展微生物电化学系统的底物种类提供新方法。. 首先，以硝酸盐还原率及甲烷氧化速率为评价指标，确定了以稻田土沉积物为接种物所富集的反硝化型厌氧甲烷氧化功能菌群活性最高。通过单因子变量法，优化了温度、pH、盐度、硝酸盐初始浓度及微量金属元素种类等培养条件，确立了反硝化型厌氧甲烷氧化功能菌群的最佳培养条件。其次，以反硝化型厌氧甲烷氧化功能菌群、经甲烷驯化培养的厌氧颗粒污泥及硫还原地杆菌为主要组成成分构建了厌氧甲烷氧化-产电互养共生体系，通过电化学交流阻抗法、循环伏安法等方法，考察阳极生物膜电化学活性，建立了简便、快速、高性能的厌氧甲烷氧化-产电互养共生体系的培养方法。最后，制备了以聚偏二氟乙烯中空纤维膜为支撑载体、多壁碳纳米管为功能层的导电中空纤维膜阳极组件，以上述厌氧甲烷氧化-产电互养共生体系为阳极接种物，构建了导电中空纤维膜微生物电化学系统。在该系统中，甲烷细菌属通过逆甲烷生成途径将甲烷氧化为乙酸供地杆菌属利用，互营单胞菌属的存在促进了胞外电子传递过程，将厌氧氧化甲烷释放的电子传递到阳极表面，最终通过外电路传递到阴极表面进行氧还原反应，从而形成完成回路，实现产电过程。