城市生活垃圾好氧堆肥实验及嗜热微生物群落研究

论文摘要

好氧堆肥是依靠自然界广泛分布的细菌、真菌、放线菌等微生物,在分解有机质的过程中产生热量使得堆体温度升高,促进堆体中各类物质分解的过程,是自然界微生物降解过程的强化,微生物是堆肥处理系统中的主有功能生物,而堆肥的高温期更是堆肥过程中有机质等物质迅速降解的阶段,因此充分了解该阶段中有机质等的降解情况和微生物变化情况以及两者之间的关系,能为改进堆肥处理工艺、提高堆肥处理效率提供理论依据。本实验采用传统的培养方法对高温期微生物群落进行计数,同时利用扩增链式反应-变性梯度凝胶电泳技术（PCR-DGGE）对微生物进行了研究。本实验分别采用园林垃圾和餐厨垃圾作为堆肥原料,进行了20d好氧堆肥,堆体经历了中温阶段、高温阶段和降温阶段三个过程,堆体高温期（≥50℃）持续了10d和8d,堆肥后期pH值基本维持在7.5～8.0之间,保持了一个微碱性环境。堆肥前后整个过程中含水量减少率分别为38.5%和40.5%,有机质减少率分别为46.3%和44.6%,而高温期有机质减少率分别占总减少量占58.3%和48.0%,高温阶段堆肥有机质的降解力度较其他阶段要大。堆体最终C/N比均接近20,基本满足堆肥稳定时C/N比的变化要求,综合各个指标推断,两个堆体在对置20d的时候基本达到稳定。堆体中纤维素降解量分别达到45.0%和41.0%,半纤维素降解量分别达到33.9%和32.3%,而两堆体木质素降解量仅达到27.0%左右;两堆体高温期纤维素的降解量分别占到了总降解量的49..0%和48.0%,半纤维素的降解分别占总降解量的68.0%和54.0%,木质素的降解分别占总降解量的65.0%和52.0%,这些数据说明在堆肥过程中,纤维素和半纤维素降解幅度较大,木质素降解幅度较小,但总体来说高温期仍是纤维素、半纤维素和木质素高速降解的一个阶段。使用传统的培养方法和PCR-DGGE技术对好氧堆肥高温期嗜热细菌、嗜热真菌和嗜热放线菌群落结构进行了研究。分别对两堆体高温期样品进行稀释平板混菌培养,细菌总数、真菌总数和放线菌总数分别呈“升高-降低”、“降低-升高”和“升高-降低-升高”的趋势,这与高温期有机质降解率呈“下降-上升-下降-上升”的变化规律有着密切的关系。同时提取高温期样品总DNA,分别使用细菌引物对（GC-341F/907R）、真菌引物对（GC-NS7/NS8）和放线菌引物对（F243/GC-R513）从总DNA中成功扩增得到目标产物,长度分别为630bp、340bp和270bp,再对目标产物进行DGGE分离。DGGE图谱显示,两堆体高温期嗜热细菌较真菌、放线菌种类要多,但优势菌种没有真菌明显;嗜热真菌优势菌明显,但整体菌群种类不多;嗜热放线菌优势菌不及同时期嗜热真菌明显,但菌群种类比嗜热细菌少、比嗜热真菌多,这与传统培养方法获得的结果一致。DGGE图谱聚类分析结果表明,堆肥高温期对于嗜热细菌也分成两个阶段,但是没有找到统一且确切的分段规律;而高温期嗜热真菌以升温时56℃为界,嗜热放线菌以58℃为界,分成两个变化阶段,每阶段内部聚类关系较近,阶段间关系较远;低于分界温度,部分菌种不能适应高温环境而逐渐消失,高于分界温度,能适应56℃或58℃以上温度环境的菌种迅速生长.温度对高温期各类嗜热微生物种群具有明显的筛选作用。通过将DGGE图中条带切胶测序,获得与条带序列同源性序列,再建立系统发育树可知,得到的与芽孢杆菌属亲缘关系较近的嗜热细菌,与青霉菌、曲霉菌等有较近亲缘关系的嗜热真菌,与链酶菌和诺卡氏菌等有较近亲缘关系的嗜热放线菌,都是与降解纤维素、半纤维素和木质素有关的微生物,这些微生物是堆肥高温期有机质降解的主要作用微生物。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 城市生活垃圾的定义及其组成
• 1.2 中国城市生活垃圾的现状及其危害
• 1.3 城市生活垃圾的处理现状及办法
• 1.3.1 中国城市垃圾的处理现状
• 1.3.1.1 生活垃圾量增长主要源自城市人口增长和城市范围扩大
• 1.3.1.2 生活垃圾中包装废弃物显著增多
• 1.3.1.3 城市生活垃圾由堆放到处理
• 1.3.2 垃圾处理技术的应用
• 1.3.2.1 城镇垃圾的收集
• 1.3.2.2 城市垃圾运输
• 1.3.2.3 城镇垃圾的处理
• 1.3.3 三种主要的城市生活垃圾的处理办法及其优劣势分析
• 1.3.3.1 填埋法
• 1.3.3.2 焚烧法
• 1.3.3.3 堆肥法
• 1.4 堆肥概述
• 1.4.1 堆肥原理
• 1.4.2 影响堆肥的因素
• 1.4.3 堆肥中的微生物
• 1.4.3.1 细菌
• 1.4.3.2 放线菌
• 1.4.3.3 真菌
• 1.4.4 堆肥中微生物的研究方法
• 1.4.4.1 微生物平板培养方法
• 1.4.4.2 Biolog 微平板方法
• 1.4.4.3 PLFA 谱图分析
• 1.4.4.4 生物标记物法
• 1.5 堆肥中的难降解有机物
• 1.5.1 纤维素
• 1.5.1.1 纤维素的性质及其组成结构
• 1.5.1.2 纤维素的降解菌
• 1.5.1.3 纤维素降解酶及其作用机理
• 1.5.2 木质素
• 1.5.2.1 木质素的结构
• 1.5.2.2 木质素的降解菌
• 1.5.2.3 木质素降解酶及其作用机理
• 1.5.3 半纤维素
• 1.6 嗜热微生物
• 1.6.1 嗜热微生物的定义
• 1.6.2 嗜热微生物的种类
• 1.6.3 嗜热微生物的研究现状
• 1.6.4 嗜热微生物的生存机理
• 1.7 嗜热微生物的应用潜力
• 1.8 垃圾资源化
• 第2章 城市生活垃圾好氧堆肥实验研究
• 2.1 实验材料与方法
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.1.1 实验试剂
• 2.1.1.2 实验设备
• 2.1.1.3 常温自然堆肥过程
• 2.1.2 堆肥理化参数实验方法
• 2.1.2.1 温度测定
• 2.1.2.2 pH 测定
• 2.1.2.3 含水率测定（恒重法）
• 2.1.2.4 有机质的测定（恒重法计算）
• 2.1.2.5 凯氏氮的测定
• 2.1.2.6 纤维素、半纤维素、木质素的测定
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 堆体温度和pH 值随堆肥天数的变化
• 2.2.2 堆体含水率和有机质随堆肥天数的变化
• 2.2.3 堆体C/ N 比随堆肥天数的变化
• 2.2.4 堆肥高温期过程有机质降解率的变化
• 2.2.5 纤维素、半纤维素和木质素的变化
• 2.3 结论
• 第3章 城市生活垃圾好氧堆肥高温期嗜热微生物群落变化研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 材料
• 3.1.1.1 实验试剂
• 3.1.1.2 实验设备
• 3.1.1.3 样品来源
• 3.1.1.4 样品初处理
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.2.1 堆肥高温期微生物平板计数
• 3.1.2.2 堆肥高温期样品总DNA 的提取
• 3.1.2.3 堆肥高温期样品总DNA 的纯化
• 3.1.2.4 堆肥高温期样品的PCR 扩增
• 3.1.2.5 堆肥高温期样品的DGGE 分析
• 3.1.2.6 DGGE 图谱聚类分析
• 3.1.2.7 堆肥高温期嗜热微生物的系统发育分析
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 堆肥高温期样品细菌、真菌和放线菌的平板计数分析
• 3.2.2 堆肥高温期样品基因组总DNA 的提取与纯化
• 3.2.3 堆肥高温期样品细菌、真菌和放线菌的PCR 扩增
• 3.2.4 堆肥高温期样品嗜热微生物DGGE 指纹图谱结果与聚类分析
• 3.2.5 堆肥高温期嗜热微生物的系统发育树
• 3.2.6 高温期嗜热微生物对有机质等降解的影响研究
• 3.3 结论
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢