1。介绍
高速率对废水厌氧处理是一种有效的解决方案不消耗能源的曝气,同时产生甲烷生物能源来源。嗜中温条件已经普遍应用的厌氧处理废水的最佳生长温度范围由于微生物协会(
1 ]。然而,大量的废水,包括国内和工业排放的温度在20°C或更低,和他们在这些低温厌氧处理可以改善净能量获得治疗的过程。
全世界每年产生7000亿吨牛奶,导致大量的代乳品废水(
2 ,
3 ]。这些乳品废水构成大量的脂质(35 - 500 mg / L)以及碳水化合物和蛋白质(
4 ),每一种成分的存在提出了具体的挑战。脂质有更高的产甲烷潜力比碳水化合物或蛋白质(
5 ),但他们的厌氧处理具有挑战性的是由于他们的协同抑制作用水解副产物(
6 - - - - - -
10 ]。单一的化合物(
11 ,
12 )以及工业废水(
13 - - - - - -
16 )已经在低温下厌氧处理。然而,脂类的厌氧处理在低温下(≤20°C)仍然可以理解。
在脂类分解过程中,脂质水解长链脂肪酸(LCFAs)抑制acidogens,产乙酸菌和产甲烷菌,即使在低浓度(
6 - - - - - -
9 ,
17 ]。例如,在21°C, 30 mg / L的亚油酸,油酸30毫克/升,10 mg / L的硬脂酸抑制甲烷产量从100 mg / L(乙酸(
18 ,
19 ]。此外,LCFA阻碍甲烷生产实施质量传递限制和防止聚合产乙酸菌和产甲烷菌
20. ,
21 ]。尽管LCFA的个人和协同抑制作用(十八烯、硬脂和亚油酸)氢,葡萄糖,和丁酸发酵研究了在批21°C,甲烷生产没有[报道
7 ]这掩盖了潜在的使用LCFA好寒性的条件下产甲烷前体。调查乳品废水的厌氧处理(4 g-COD / L)与低脂肪含量40 mg-COD / L(一般< 1%的总化学需氧量)进行之前在温度低至10和15°C (
22 ]。最近,脂质治疗的知识一直延伸到低温脂肪酶的评估活动在减少温度(4、8、15°C)在国内废水(
23 ]。然而,甲烷产量LCFA混合物在脂质尚未报道
内容
>
1
%在低温下,需要进一步调查。
培养液的源起着至关重要的作用在厌氧处理和更低的温度下,随着培养液中微生物群落影响substrate-degradation潜力和产甲烷活性(
24 ,
25 ]。暂停和颗粒污泥用于低温厌氧消化(LTAD)治疗各种废水的研究
13 ,
15 ,
22 ,
26 - - - - - -
31日 ]。以前比较颗粒的悬浮污泥低温甲烷生产对比结论,和他们似乎是特定的适应性。15°C时,邢et al。
32 从冻土网站]相比,接种物(湖泊沉积物、池塘淤泥和湿地)嗜中温颗粒污泥,甲烷产率(71 mL-CH更高4 / gVSS·d) 2倍左右是通过使用葡萄糖的水禽湖沉积物(悬浮污泥)比其他的接种物。相反,在15°C时Enright et al。
30. 相比一个污泥混合物(waste-activated污泥、牲畜粪便和non-granular厌氧污泥)两个颗粒污泥,更多的甲烷是由乙酸的颗粒污泥,H2 /公司2 和乙醇。
lipid-containing废水的厌氧处理,悬浮污泥和颗粒污泥作为接种体嗜中温、高温厌氧条件。颗粒污泥被报道是适合厌氧LCFA治疗由于其较低的比表面积(
33 ),更高的产甲烷活性(acetoclastic, hydrogenotrophic、丙酸和乙醇发酵),油酸和较低的毒性比悬浮污泥而治疗油酸(OLR 2 - 8 g-COD / L·d) (
34 ,
35 ]。然而,使用悬浮污泥作为接种体来源的建议治疗oleate-containing废水由于其高LCFA吸附能力(
34 ,
35 ),LCFA吸附降解需要基于顺序sorption-desorption机制(
36 ]。因此,评估不同接种物需要评估的甲烷生产LCFA-containing废水在低温下。
除了物理化学特征、厌氧污泥的微生物群落组成的影响高脂质或LCFA由低浓度和温度。LCFA退化通过移除2个碳原子
β 氧化周期通常导致醋酸的生产。微生物的财团,
β 氧化需要syntrophic耦合hydrogenotrophic乙酸细菌的产甲烷菌保持较低的氢分压。所涉及的微生物群落codigesting脂肪,油,和油脂(雾)或LCFA嗜中温、高温条件下使用高通量扩增子测序已经破译,和已签订syntrophs也扮演了一个重要的角色在他们的退化(
37 - - - - - -
40 ]。只有7乙酸细菌属于家庭
Syntrophomonadaceae (类梭状芽胞杆菌)
Syntrophaceae (类Deltaproteobacteria) [
5 ,
41 ]目前已知降解LCFA,细菌的家庭
Clostridiaceae (类梭状芽胞杆菌)建议降低LCFA [
42 ,
43 ),标志着这三个家庭的细菌类群的重要性LCFA退化。此外,hydrogenotrophic产甲烷菌的优势还没有建立在低温下的厌氧处理废水和low-lipid LCFA内容(
1 ,
16 ,
44 - - - - - -
48 )由于热力学偏爱氢利用率比醋酸利用率在低温下(
49 ]。调查微生物财团参与降解脂质或LCFA-containing废水在低温下通过高通量扩增子测序技术尚未应用于微生物财团参与降解脂质——或者LCFA-containing废水在低温和可以提供关于所涉及的关键类群的新颖的见解。
作为LTAD剂的选择取决于其独特的物理化学特性和微生物群落组成,本研究的目的是评估的作用剂来源从LCFA-containing合成甲烷生产乳制品废水(SDW)批化验在低温下20 - 10°C。扩增子测序应用于批处理操作前后微生物群落特征研究孵化期间微生物群落组成的变化。
2。材料和方法
2.1。剂和基质
三个接种物获得当地来源被用于这两个悬浮污泥颗粒污泥。嗜中温厌氧消化器的悬浮污泥市政污水处理厂,Rahola (RD)和Viinikanlahti (VD),坦佩雷,芬兰,收集,渗16毫米网,并存储为4周7°C nitrogen-purged气氛。颗粒污泥(GS)来自于一位嗜中温上流式厌氧污泥层(UASB)反应器处理废水从一个集成beta-amylase酶和乙醇的生产燕麦(Jokioinen、芬兰)和nitrogen-purged大气中储存3周7°C。已筛暂停和颗粒污泥的特点(表
1 )。
表1
特征的三个接种物用于化验10和20°C。
参数
颗粒污泥(GS)
Rahola Digestate (RD)
Viinikanlahti digestate (VD)
可溶性COD(毫克/升)
525年
±
10
2520年
±
95年
1080年
±
40
挥发性脂肪酸(毫克/升)
147年
±
2。0
- - - - - -
∗
- - - - - -
∗
pH值
6.8
±
0.2
7.3
±
0.1
6.9
±
0.1
碱度(毫米)
44.0
±
0.1
78.0
±
0.1
94.0
±
0.1
TS (g / L)
42.0
±
5.0
51.0
±
1。5
20.1
±
1。0
VS (g / L)
36.0
±
4所示。0
28.0
±
1。0
11.1
±
0.2
TSS (g / L)
39.0
±
2。0
51.0
±
2。0
20.0
±
0.2
VSS (g / L)
34.0
±
1。6
27.0
±
0.15
11.0
±
0.2
所以4 2 - (毫克/升)
4所示。4
±
0.01
184.0
±
0.8
67.0
±
0.1
阿宝4 3 - (毫克/升)
6.6
±
0.01
57.0
±
0.3
1。5
±
0.03
Cl- - - - - - (毫克/升)
17.0
±
0.1
9.0
±
0.01
29.0
±
0.05
∗
下面的检测极限。
SDW和乙酸用作基质在这项研究中。SDW模拟的乳制品废水和含蛋白质来源(酪蛋白水解物),碳水化合物源(一水乳糖)和脂肪来源(LCFA混合物)(表
2 )。LCFA混合物由棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸酯在鳕鱼比30:15:45:10(表
2 基于LCFA经常发现在乳品废水浓度(
41 ,
50 ]。
表2
合成乳品废水的组成(SDW)作为底物与VD的化验,RD, GS在10和20°C。
基板组件
LCFA
%的鳕鱼
浓度(毫克/升)
酪蛋白
25
348年
乳糖
42
730年
LCFA,总
33
229年
棕榈酸酯
10
69年
硬脂酸
4所示。9
34
油酸
13.2
91年
亚油酸酯
4所示。9
35
2.2。甲烷生产批化验
批处理进行了研究使用血清瓶120毫升、60毫升的液体体积。在所有化验,15毫升的衬底原液(SDW或乙酸)和10 ~ 30毫升的培养液(GS, RD,或VD)被添加进瓶,确保2 g-COD / L的衬底和6 g-volatile固体(VS) / L的培养液。2毫升的股票组成的营养解决方案添加到瓶以下(g / L): MgSO4 h·72 O(6),在北半球4 KH Cl (16.8)2 阿宝4 h·32 O (0.24), Na2 HPO4 h·22 CaCl O (0.2)2 h·22 0(6),酵母提取物(6),FeCl2 h·42 O (0.12), H3 薄3 (0.003),ZnCl2 (0.003),CuCl2 h·22 MnCl O (0.002)2 h·42 O (0.03), Na2 MoO4 h·22 CoCl O (0.001)2 h·62 NiCl O (0.12)2 h·62 O (0.005), Na2 搜索引擎优化3 h·52 O (0.01), EDTA(0.06),和刃天青与1毫升36%盐酸酸化前使用(
51 ),音量调整到60毫升蒸馏水。随后,化验的pH值调整到7.0通过添加氢氧化钠0.1米或0.1米盐酸的解决方案。覆与氮气冲洗10分钟,关闭丁基橡胶塞,确保厌氧条件后与铝褶帽密封。实验进行了一式三份和孵化20岁或10°C没有颤抖。化验没有基质准备同样的,作为空白。上层清液和污泥从瓶取样的最后审判(200 d)可溶性COD (sCOD)和挥发性脂肪酸(VFA)测量和微生物群落分析中,分别。化验准备与颗粒污泥作为接种物将被称为GS,和市政的化验准备消化池sludges-RD VD-will被称为RD和VD,分别在随后的部分。长期试验持续时间(200 d)是由于diauxic行为的可能性就像以前在LCFA-containing废水的厌氧处理20°C在我们的研究中(数据没有公布)和fat-containing乳制品废水在37°C (
52 ]。
2.3。分析方法和计算
沼气的内容(CH4 、有限公司2 ,和H2 )分析了使用日本岛津公司gc - 2010气相色谱仪,配有Porapak N列和一个热导检测器。氦用作流动相在20毫升/分钟的流量。注射器、烤箱和检测器温度设定在110年,80年和110°C。气体的体积测量根据(
53 ),在标准温度和压力(STP)报道。液体上层清液的瓶子在200年底0.45 d透过
μ 米种注射器过滤器sCOD和浓度的测量。浓度测量,日本岛津公司gc - 2010 ZB-Wax列用于分析,与氦载气流速的19.6 mL / min。注射器和FID检测器的温度都是250°C。热烤箱温度程序如下:在40°C 2分钟,然后加热到160°C与20°C /分钟和220°C和40°C /分钟,之后温度举行220°C 2分钟。
sCOD是用重铬酸钾滴定法根据芬兰标准SFS 5504。总固体(TS)、VS、总悬浮物(TSS)和挥发性悬浮固体(VSS)测量根据2005年APHA和碱度芬兰标准SFS 3005。阴离子的浓度(4 2 - ,阿宝4 3 - ,Cl- - - - - - )过滤样品测定Dionex ics - 1600离子色谱系统,配备了一个IonPac AS4A-SC阴离子交换柱,DS6热导池,1.9毫米Na2 有限公司3 和1.7毫米NaHCO3 作为洗脱液的流量1毫升/分钟。
盐度测量基板被用于计算溶解气体(甲烷和二氧化碳)浓度和使用手持电导仪WTW电导率3210。本生溶解度系数得到使用常量值从山本et al。
54 ),并应用于估计随着甲烷(
55 ]。
甲烷生产决心通过增加甲烷溶解在液态的甲烷体积气相测定空白和减去甲烷生产从这个值。甲烷产量的比例(%)计算每个试验中产生的甲烷(毫升/ g-COD)理论产生的甲烷体积每克鳕鱼在标准温度和压力(STP) (350 mL / g-COD)。整体质量平衡进行初鳕鱼(表
2 )和结束时的200 d试验所有的化验。
累计甲烷生产的化验是装有修改龚珀兹方程:
(1)
米
t
=
P
·
经验值
−
经验值
R
米
·
e
P
λ
−
t
+
1
,
在哪里
米
t
是累积甲烷生产(mL-CH4 )时间
t
(d),
P
是甲烷生产潜力(mL-CH4 或mL-CH4 /全球之声)
R
米
是最大的甲烷产率(mL-CH4 / d),
λ
是甲烷生产的停滞阶段(d)。在MATLAB曲线拟合工具R2017b被用来计算滞后阶段(
λ
)和最大甲烷产率(
R
米
)。
2.4。DNA提取、量化和16 s rRNA扩增子测序
微生物样品(三个接种物和从所有化验后200天的孵化项目)存储在-20°C立即取样。解冻后的样品在4°C,从微生物总DNA是coextracted连同RNA样本(
56 ]。中提取DNA的浓度是量化量子位荧光计(技术)和DNA纯度测定使用NanoDrop分光光度计(美国威明顿NanoDrop技术)。DNA样本被送到FISABIO(西班牙)的PCR扩增V4地区16 s rRNA基因的通用引物515 f - 806 r (
57 )和扩增子测序Illumina公司MiSeq平台。
2.5。生物信息学和统计工具
测序数据的计算分析是使用定量见解微生物生态学(QIIME v1.9)管道(
58 ]。正向和反向读取的平均长度是291和294个基点,分别。paired-end读取了使用fastq-join方法(
59 50个基点的最小重叠和perc_max_diff 15%,之后使用split_libraries_fastq质量进行过滤。py脚本QIIME [
58 ]。序列被聚集到操作分类单元(辣子鸡)使用open-reference OTU挑选与爆炸的方法,和分类任务是执行席尔瓦128共识各级分类
60 ,
61年 ]。使用ChimeraSlayer嵌合序列被确定,最后OTU表是使用脚本make_otu_table.py nonchimeric产生的序列。
数据集包括总计5743805序列,聚集到12326年辣子鸡在97%相似性水平。有127 99.9%的社区形成丰富的辣子鸡是子样品的测序深度26511(基于读取的数量最小的样本)α多样性指标(多样性样本)。社区的多样性和物种丰富度估计使用Chao1和香农指数和观察到的辣子鸡的数量。培养液的α多样性指数复制和试验提出了一式三份的平均价值培养液中的微生物群落组成中重复或实验测定200天后一式三份。
子样品的数据集组成的序列代表了127年最丰富的辣子鸡是用于后续分析。表的子样品OTU fourth-root-transformed均匀分布,并使用Bray-Curtis相似矩阵构造相似性在普利茅斯的例程多元生态研究(底漆)V7 [
62年 ]。聚类分析进行辨别模式微生物群落的不同接种物的低温治疗LCFA-containing废水。通过分层聚类分析聚类(组平均法)进行分类类级别的操作分类单元(辣子鸡),分别测定样品绘制系统树图。的fourth-root-transformed OTU表是用来代表微生物群落组成与系统树图阴影图。
3所示。结果与讨论
3.1。接种体特征和微生物群落组成
3.1.1。物理化学特征
三国嗜中温接种物,颗粒污泥(GS)和较高:TS比率(0.86)相比,上海市消化池sludges-RD和VD(0.55)而GS sCOD低于上海市消化池污泥(520和1100 - 2500 mg / L)(表
1 )。GS包含一些VFA (147 mg / L)而浓度低于检出限市政消化池的污泥。这两个地方消化池污泥在几个不同性质;例如,TS, sCOD,阿宝4 3 - 多方面的不同浓度(表
1 )表明流入废水特点和装置运行的影响,作为两种城市污水处理设施有相似的单元过程,是主要的沉积和活性污泥过程,其次是嗜中温厌氧消化产生的剩余污泥。
3.1.2。接种物的微生物群落组成
高通量扩增子序列被用来调查三个接种物的微生物群落组成。上海市消化池污泥(RD和VD)有较高的微生物群落多样性(Chao1: 104 - 108年,香农:4.53 - -4.73,observed_otus: 103 - 105)相比,GS培养液(observed_otus Chao1: 93,香农:3.69:79)(表
3 ),虽然三个接种物从嗜中温获得反应堆。细菌类
Anaerolineae (相对丰度7.4 - -23.25%),
梭状芽胞杆菌 (相对丰度0.1 - -0.6%),
Synergistia (相对丰度6.3 -10.6%)和古细菌类
Methanomicrobia (相对丰度7.8 -19%)出现在所有三个接种物。尽管市政消化池污泥(RD和VD)也有类似的微生物群落组成,相对丰富的
Methanomicrobia (13比7%)
Anaerolineae 在RD(23比13%)高于VD培养液。总的来说,GS培养液有高的相对丰度
甲烷菌 (21.5%),未受教育的
Aminicenantes (25%)和
Deltaproteobacteria (5%)相比,上海市消化池污泥。
表3
α多样性度量样本(多样性)超1指标,香农指数和观察到的数量辣子鸡的辣子鸡截止整体相对丰度达到99.9%。样品名称的详细信息如表所示
S1 。
Chao1
香农
observed_otus
VD培养液
108 (1)
4.73 (0.05)
105 (0.5)
VD空白 10
106 (4)
4.38 (0.1)
104 (1.2)
VD醋酸 10
108 (3)
4.62 (0.07)
106 (1.4)
VDSDW 10
109 (3)
4.31 (0.04)
105 (1.2)
VD空白 20.
116 (12)
5.13 (0.01)
109 (2.1)
VD醋酸 20.
115 (8)
5.06 (0.05)
109 (1.7)
VDSDW 20.
115 (4)
4.79 (0.33)
109 (0.8)
RD培养液
104 (0)
4.53 (0.14)
103 (0.5)
理查德·道金斯空白 10
108 (3)
4.76 (0.1)
105 (2.9)
理查德·道金斯醋酸 10
113 (0)
4.49 (0.02)
107 (0.5)
理查德·道金斯SDW 10
114 (9)
4.61 (0.09)
104 (2.4)
理查德·道金斯空白 20.
112 (1)
4.46 (0.02)
110 (0.1)
理查德·道金斯醋酸 20.
113 (1)
5.12 (0.04)
111 (0.9)
理查德·道金斯SDW 20.
111 (4)
4.8 (0.2)
109 (5)
GS培养液
93 (14)
3.69 (0.01)
79 (2.5)
GS空白 10
82 (16)
3.8 (0.13)
70 (3.7)
GS醋酸 10
77 (3)
3.86 (0.02)
66 (2.2)
GSSDW 10
80 (11)
3.78 (0.04)
66 (1.7)
GS空白 20.
88 (4)
4.02 (0.12)
78 (2.9)
GS醋酸 20.
87 (7)
3.93 (0.06)
85 (6)
GSSDW 20.
77 (3)
4.04 (0.18)
76 (3.3)
三个接种物的微生物群落组成和多样性是不同的。在市政消化池污泥微生物群落多样性越高(表
3 )可能是由于各种各样的基板由城市污水处理厂接收。相比之下,GS来自一个UASB处理碳水化合物和含酒精的废水,微生物群落的多样性可能缩小。
迄今为止,只有从类7种
梭状芽胞杆菌 或
Deltaproteobacteria 众所周知,降低LCFA(碳
原子
>
12
其中只有4种(
Syntrophomonas sapovorans ,
Syntrophomonas curvata ,
Syntrophomonas zehnderi ,
Thermosyntropha lipolytica )的类
梭状芽胞杆菌 目前已知的降低不饱和LCFAs,例如,油酸和亚油酸酯(
5 ),也被发现在各种LCFA-fed消化器(
63年 - - - - - -
66年 ]。此外,在低温下,Deltaproteobacterial类的古细菌类中起着重要作用
甲烷菌 和
Methanomicrobia (
22 ,
44 ,
45 ,
47 ,
67年 ,
68年 ]。因此,监测细菌和古细菌类群属于类
Deltaproteobacteria 和
梭状芽胞杆菌 ,
甲烷菌 和
Methanomicrobia 分别被认为是LCFA特殊利益而研究厌氧处理在低温下在这个研究。
3.2。低温甲烷生产从SDW和醋酸
三种不同接种物的潜力从SDW甲烷生产,研究了醋酸在批化验(图10和20°C
1 )。空白化验没有任何添加基质准备减去甲烷生产与基质添加相应的化验。累计甲烷产量曲线拟合与龚珀兹方程(
R
广场:0.9 - -0.99)和用于计算延迟时间和最大甲烷产率(
R
米
)
。
图1
甲烷生产(mL) (a) 20°C和(b)不同接种物10°C (g:颗粒污泥;理查德·道金斯:Rahola Digestate;VD: Viinikanlahti Digestate)没有孵化基质(黑色),醋酸(Ac)和合成乳制品废水(SDW)。
(一)
![]()
(b)
![]()
颗粒污泥(GS)培养液开始甲烷生产迅速在20°C (0.6 d)和10°C(1.5天)与基质的而另外两个接种物(VD, RD)有一个长和可比性(d) 20 - 23日滞后阶段(
λ 醋酸和SDW)在10°C。然而,在20°C, VD有多方面的滞后阶段超过RD(分别为第4 - 9 18-50 d和d)(图
1 、表
4 )。在20°C
R
米
相当或更高版本与GS比市政消化池污泥SDW醋酸(1.6和0.9)和(9.5,1)。在10°C SDW, GS高4.7倍了
R
米
比RD,而其他RD和VD化验10°C产生甲烷(表
4 )。10天内甲烷产量更高的颗粒污泥- 86和65%醋酸和45 20% SDW 20岁和10°C,分别(图
1 ),而上海市消化池污泥(甲烷产量不到20%)。200天后,甲烷与颗粒污泥产量总体可比在20和醋酸10°C(分别为83 - 95%和91 - 95%)或SDW(分别为70 - 82%和79 - 85%)(表
4 )。与之相反,甲烷产量从醋酸和SDW市政消化池污泥(RD和VD)高得多在20°C(分别为75 - 93%,60 - 75%)相比,10°C (< 20%)。结果表明,上海市消化池污泥强烈受温度的影响。甲烷产生与RD 10°C与醋酸SDW但不是这是一个简单的甲烷比SDW前体。
表4
滞后阶段,最大甲烷产量和甲烷产量与颗粒污泥和市政SDW消化池污泥和乙酸在批化验10和20°C。
温度(°C)
底物
滞后阶段(
λ
d)
最大甲烷产率(
R
米
,mL-CH4 /天)
甲烷收率(%)
GS
理查德·道金斯
VD
GS
理查德·道金斯
VD
GS
理查德·道金斯
VD
20.
醋酸
0
8.9
18.1
9.7
±
6.1
1.01
±
0.09
0.7
±
0.05
89年
±
6
81年
±
3
84年
±
9
SDW
0
4
51.1
1。3
±
0.7
0.77
±
0.13
1。4
±
0.4
76年
±
6
72年
±
3
67年
±
8
10
醋酸
0.75
20.1
21.7
3.5
±
1.15
0.02
±
0.01
0.03
±
0.01
93年
±
2
< 1
< 1
SDW
1。5
22.9
20.9
0.6
±
0.2
0.13
±
0.02
0.02
±
0.01
82年
±
3
19
±
4
< 1
sCOD切除20°C与所有三个接种物相似,与SDW 78 - 81%和81 - 90%醋酸(无花果。
S1 ),但在10°C,更高sCOD去除获得了GS acetate-addition SDW-addition(82%, 91%)比市政消化池污泥。尽管sCOD切除29 - 53%市消化池污泥在10°C(无花果。
S1 ),甲烷(甲烷产量低
收益率
<
20.
%),这表明sCOD删除显然是由于吸附的生物培养液(
36 ]。此外,200天后,只有市发现了vfa消化池污泥在10°C (vfa总额290 - 780 mg / L与SDW与醋酸和760 - 1070 mg / L)。醋酸SDW,最丰富的VFA (110 - 580 mg / L), acetate-fed化验,只有乙酸(760 - 1070 mg / L)被发现(图
2 ),这表明一个抑制acetotrophic活动。鳕鱼平衡(图
3 )表明,9 - 19%和19 - 23%的sCOD (non-VFA)仍然在醋酸和SDW化验,分别在200 d。这non-VFA sCOD可能是由于生产的内生衰变产物的释放。醋酸的行踪不明的鳕鱼和SDW化验增加10°C相比20°C(图
3 )可能由于细胞生长或基质吸附生物质能。VFA积累并不影响pH值和6.9 - -7.1在所有化验20岁和10°C末端的实验。
图2
残余挥发性脂肪酸(VFA)集中在10°C和醋酸合成乳制品废水(SDW)和结束时的200 d实验(GS:颗粒污泥;理查德·道金斯:Rahola Digestate;VD: Viinikanlahti digestate)。
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图3
质量平衡的鳕鱼20°C (a)和(b) 10°C的化验与不同接种物(GS:颗粒污泥;理查德·道金斯:Rahola Digestate;VD: Viinikanlahti digestate)和基质合成乳制品废水(SDW)或醋酸。
(一)
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(b)
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甲烷生产醋酸或SDW GS 20岁和10°C表明,碳水化合物的鳕鱼(乳糖)、蛋白质(酪蛋白)和LCFA(饱和和不饱和)分数是由厌氧代谢的财团在GS(图
3 )。相反,温度的降低减少甲烷生成在RD和VD化验。此外,在10°C, SDW水解的分数(VFA-COD和CH4 鳕鱼在图
3 )< 50%,说明水解和酸化的碳水化合物和蛋白质分数也减少10°C。即使在acetate-fed化验10°C,不到50%的基质吸收检测在RD和VD化验。高氢分压的存在限制了syntrophic LCFA退化
β 氧化,LCFA进一步抑制厌氧微生物的营养组织联盟,这可能影响了SDW吸收10°C。然而,基质吸收(醋酸和SDW) 10°C不是大力限制氢积累/氢分压增加RD和VD,气相氢不存在。因此,缺乏底物吸收是抑制相关acetotrophic活动digestate接种物10°C。
以前,单身LCFAs-linoleic酸(30毫克/升),油酸(30毫克/升),硬脂酸(10 mg / L)——据报道从100 mg / L抑制甲烷生成的醋酸21°C (
18 ,
19 ]。然而,在这项研究中,结合LCFAs (34.7 mg / L(亚油酸酯、91.2 mg / L(油酸,硬脂酸和33.8 mg / L)出现在SDW转化为甲烷的GS 20岁和10°C和两市消化池污泥在20°C(图
1 )。尽管高LCFA负载在当前实验(38毫克LCFA / g·VS)比抑制浓度与单个LCFA报道其他地方(LCFA 20毫克/克·VS和6.67毫克LCFA / g·VS 21°C (
18 ,
19 ]),甲烷是由饱和和不饱和LCFAs在这项研究中。我们所知,这是第一次报告的甲烷生产从LCFA混合物含有不饱和LCFAs(油酸和亚油酸酯)在10°C,其中甲烷生产是由培养液的起源。这些结果可用于理解和发展中厌氧过程从lipid-containing低温处理和沼气生产废水。
3.3。低温和SDW对微生物群落结构的影响
3.3.1。微生物群落多样性后200天
由于不同的微生物群落组成的相对丰度在三个接种物,和分析在不同的温度和不同的甲烷生产基板,一个潜在的细菌和古细菌类群的转变是设想在200年d潜伏期。高通量扩增子序列被用来研究微生物群落组成的化验后200天。共有12326个辣子鸡被发现,其中99.9%的微生物群落属于127辣子鸡、33个细菌组成的4热点类。因此,一小部分类群(占全国总人口0.01%辣子鸡)由99.9%的微生物群落的一部分。此外,类似于他们的培养液,甚至200 d后,上海市消化池污泥(RD和VD)有较高的微生物多样性(Chao1: 106 - 116年,香农:4.31 - -5.13)相比,GS (observed_otus Chao1: 93,香农:3.69:79)(表
3 )。基于Chao1和观察到的辣子鸡,社区的多样性增加在VD和RD但减少在GS 200天期间,独立于温度或底物。
3.3.2。相对丰富的古细菌类后200天
改变了的细菌和古细菌类群200 d潜伏期后的衬底温度和评估他们的相对丰度的变化。只有辣子鸡相对丰度高于0.1%的进一步讨论。在所有的化验,9热点辣子鸡属于被发现
甲烷菌 (3辣子鸡)
Methanomicrobia (3辣子鸡)
Thermoplasmata (1)OTU)和WCHA1-57(2辣子鸡)。类
甲烷菌 被发现在一个更高的相对丰度在GS化验(13 - 19%)相比,VD和RD(少于7%)(图
4 ),但其相对丰度降低的潜伏期比GS培养液(21%)轴承没有temperature-specific substrate-specific趋势。类
Methanomicrobia 被发现在所有200 d孵化后的化验,更高的相对丰度在GS(22 - 28%,从19%上升)相比,VD(从13%上升到19 - 23%在10°C)和RD(从8%上升到15 - 20% 20°C)(图
4 )。在类
Methanomicrobia hydrogenotrophic的相对丰度
Methanolinea 增加了GS培养液(0.8 - -6.5%比0.3%),而hydrogenotrophic ARC26(模糊分类单元)有较高的相对丰度在VD和RD(0.1 -2%)比在GS(图
5 )。
Methanosaeta 是唯一acetoclastic古属发现后200天,及其相对丰度增加20°C acetate-fed化验相比空白化验在GS (20 - 25%), VD(从8.3到9.1%),和RD(从5.1到13.8%)。在10°C, acetate-fed化验,相对丰富的
Methanosaeta 保持高GS(20 - 22%)和增加只有在VD(从11到24%)(图
5 )。类的成员
甲烷菌 和
Methanomicrobia 以前好寒性的环境中被发现(
69年 )在厌氧LCFA退化分析(
70年 ),在这项研究中也发现普遍。
图4
相对丰度(%)中发现的细菌和古细菌类样本的16 s rRNA扩增子库200 d实验期间不同接种物(GS:颗粒污泥;理查德·道金斯:Rahola Digestate;VD: Viinikanlahti Digestate)孵化10°C和20°C,没有衬底(黑色),醋酸,合成乳制品废水(SDW)。样品名称的详细信息如表所示
S1 。
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图5
相对分数(%)的古细菌属于类甲烷菌属和Methanomicrobia 16 s rRNA扩增子库的样本200 d实验期间不同接种物(GS:颗粒污泥;理查德·道金斯:Rahola Digestate;VD: Viinikanlahti Digestate)孵化10°C和20°C,没有衬底(黑色),醋酸,合成乳制品废水(SDW)。类是提到在括号内。样品名称的详细信息如表所示
S1 。
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观察VFA积累(主要是醋酸)RD和VD在10°C时,再辅以SDW化验。此外,在RD和VD化验10°C用醋酸,只有50%的醋酸消耗了微不足道的甲烷生产(图
3 )。即使有高的相对丰度
Methanosaeta (只有acetoclastic类群中发现本研究)VD和hydrogenotrophic类群在VD和RD 10°C,微不足道的甲烷产自RD和VD化验10°C。这种抑制acetotrophic活动在10°C RD和VD化验显示醋酸吸收syntrophic acetate-oxidizing细菌(SAOB)。SAOB增长可以积极可行的较低温度接近热力学平衡,和他们的存在已被证实在温度低至7°C (
71年 - - - - - -
73年 ]。SAOB生长缓慢,被隔离在强大的选择压力的存在
74年 ,
75年 ]。在我们的研究中,压力的存在,如低温、可能的竞争优势醋酸醋酸氧化剂的吸收比acetoclastic产烷生物,
Methanosaeta 。这种优势是授予醋酸氧化剂与hydrogenotrophic产甲烷菌从syntrophic耦合,由于hydrogenotrophic产甲烷途径更有利的能量在低温下(10°C)。产甲烷途径的转变从acetotrophic hydrogenotrophic已经观察到以前温度下降(
1 ,
47 ,
48 ],LCFA存在已经知道抑制acetoclastic产甲烷菌多hydrogenotrophic产甲烷菌(
5 ,
7 ),因此建议需要在低温下保持较高的甲烷生产hydrogenotrophic活动。在低温下与先前的研究相比,本研究强调需要保持高acetotrophic活动LCFA利用在低温下通过产甲烷古菌和/或syntrophic醋酸氧化细菌(SAOB)(部分进一步讨论
3.3。3 )。
3.3.3。细菌类的相对丰度后200天
在所有的化验,细菌类
Anaerolineae (相对丰度2.4 - -20%),
梭状芽胞杆菌 (0.1 - -0.7%)
Synergistia (6 - 33%)被发现的最后一批孵化。的类
Bacteroidia 和
放线菌 是存在于两市消化池污泥丰度高于GS (
Bacteroidia 15 - 26%比< 1%,分别为,
放线菌 分别为1 - 9%比< 0.1%),而g有一个更高的未受教育的相对丰度
Aminicenantes (15 - 22%和0.2 - -1.4%)
Deltaproteobacteria (5 - 14%和0.2 - -2.8%)(图
4 )。不同类别的相对丰度的大幅度变化是由于温度变化和衬底,下面讨论。
200 d后潜伏期6辣子鸡班上被发现
Deltaproteobacteria ,其中4属于订单
Syntrophobacterales (家庭
Syntrophaecea e(3辣子鸡),
Syntrophobacteraceae (1 OTU))和两个订单
Desulfuromonadales (家庭
Geobacteraceae )(图
6 )。的相对丰度乙酸细菌
先天病 和未受教育的分类单元的(来自家庭
Syntrophaceae GS 10°C)增加(从3.3%到9.6 - -12.3%)在200 d孵化(图
6 ),强调家庭的乙酸细菌的作用
Syntrophaceae 在LCFA退化10°C。家庭的成员
Syntrophaceae 众所周知,降低饱和LCFAs-palmitate (0)
65年 )、硬脂酸(C18:0)和heptanoate (C17:0)——嗜中温条件下
66年 ),且只有一个已知物种的家庭
Syntrophaceae - - - - - -
先天病aciditrophicus 已经被发现可以降低两个饱和LCFAs(棕榈酸酯(0)和硬脂酸(C18:0)) (
76年 ]。
先天病aciditrophicus 有一个生长在温度范围25-42°C;因此,在10°C的耐寒的增长模式
先天病- - - - - - 像分类群的代谢不饱和LCFAs(油酸和亚油酸酯)是这项研究发现。
图6
相对分数(%)的细菌属于类Deltaproteobacteria和梭状芽胞杆菌属中发现16 s rRNA扩增子库的样本200 d实验期间不同接种物(GS:颗粒污泥;理查德·道金斯:Rahola Digestate;VD: Viinikanlahti Digestate)孵化10°C和20°C,没有衬底(黑色),醋酸,合成乳制品废水(SDW)。类是提到在括号内。样品名称的详细信息如表所示
S1 。
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此外,在10°C, GS衬底SDW甲烷产量的82%(表
2 )构成的33% LCFAs(18%不饱和LCFAs(饱和LCFAs C18:2 C18:1)和15% (0,C18:0))。因此,本研究证实了甲烷生产饱和的和不饱和的可能性C16和C18酸在低温下(10和20°C) syntrophs和acetotrophs所扮演的角色至关重要。而代谢途径参与了退化的饱和和不饱和LCFAs单独和混合在低温下还不知道,他们应该与进一步研究阐明。
另一个重要的类
Synergistia (16辣子鸡)被发现在所有的样品(6.3 -10.6%)(图
4 )。虽然精确的函数
Synergistia 在降解LCFA仍未经证实,已经发现的嗜中温、高温LCFA-fed消化器的核心微生物(
70年 ]。在这项研究中发现的16个辣子鸡
Synergistia 5属于嗜热嗜中温或氨基acid-degrading属
Thermovirga (
77年 ),
Lactivibrio (
78年 ),或
Aminivibrio (
79年 ]。酪蛋白组成25% SDW鳕鱼,氨基酸的存在下降的预期;然而,很少有其他的11
Synergistia 类群可能从SDW甲烷产量的作用。
在GS,
Aminicenantes 集群hydrogenotrophic密切
Methanobacteriales (图
7 )。此外,
Synergistetes 被发现在一个高的相对丰度在RD和VD化验,最近发现高温SAOB,
Gelria (订单
Thermoanaerobacterales )[
80年 ),被发现在GS化验,再辅以SDW 20°C。的分类单元
Aminicenantes ,
Synergistetes 和未受教育的
Gelria 在本研究假定的SAOBs由于他们的能力和作用syntrophic醋酸氧化(
73年 ,
80年 ,
81年 ]。然而,随着这些物种是无教养的,不能被证实其特定功能。虽然syntrophic电子转移
Aminicenantes 以前曾在一个分层湖低温7°C (
73年 ),
Synergistetes 已经被证明执行syntrophic醋酸氧化
Methanoculleus 和
甲烷八叠球菌属 嗜中温厌氧反应器(
81年 ]。此外,
核废料旁边 (2辣子鸡)也浓缩在GS化验10°C和并发的相对丰度高
Methanosaeta 在醋酸和SDW化验。作为
核废料旁边 物种可以促进syntrophic电子转移
Methanosaeta (
82年 ),还有一个可能性
核废料旁边 介导syntrophic醋酸氧化在这项研究。此外,
Smithella 被发现在上海市消化池污泥而不是GS和LCFA退化可能扮演了一个角色在SDW 20°C由于其已知作用syntrophic醋酸氧化22°C (
83年 ]。随着SAOB数量的候选人最近一直在增加,许多SAOB类群仍然未知,在较低温度下SAOB的可能性在这个研究不能排除。先进的分子生物学技术,如宏基因组以及定量方法像qPCR需要评估的活动和功能作用
先天病 和
先天病- - - - - - 像类群在降低不饱和和饱和LCFAs(棕榈酸、硬脂酸、油酸和亚油酸酯)和识别的假定的SAOB syntrophic种间的电子转移在低温下20°C和10°C。
图7
热图显示集群和相对丰富的细菌和古细菌类微生物群落的99.9%形成化验接种VD, RD,和GS和美联储没有衬底(空白),醋酸,或合成乳制品废水(SDW) 10°C和20°C。符号+和o表示王国细菌和古生菌,分别在轴上。符号▲、▼和■代表使用的培养液化验VD, RD, GS,分别在x轴上。样品名称的详细信息如表所示
S1 。
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3.3.4。微生物群落中的模式
不同微生物样本的聚类分析在200 d代表通过系统树图阴影图和主坐标分析(PCoA)辨别微生物群落(数据中的模式
7 和
S2 )。PCoA分析显示,前两个坐标轴解释大约80%(第一轴和第二轴9% 72.5%)微生物群落的变化出现在VD, RD, GS污泥(无花果。
S2 )。系统树图在树荫下的阴谋和相似的% PCoA情节表明,微生物群落组成在RD和VD是相似和集群密切关注空白和醋酸,70%的相似性和SDW-fed化验。但化验的微生物群落组成与GS(空白、醋酸或SDW-fed)培养液彼此相似度较高(85%)和集群进一步RD和VD(无花果。
S2 ),GS共享相似性较低(66%与RD和VD)(图
7 )。
这个集群表示,即使经过长时间的培养时间200天在一个特定的选择压力(温度和衬底)、微生物群落的组成不收敛。唯一的实例,一个重叠在微生物检测不同的培养液类型之间的类被发现与acetate-fed市政消化池污泥在20°C(数字
7 和
S2 )。这表明乙酸在收敛的影响微生物群落在VD和RD,尽管最初的微生物群落组成VD和RD是相似的。连续反应器操作可能会进一步揭示微生物群落组装的发展强大的选择压力下发生在不同接种物考虑他们不同微生物组成。类似的性能(甲烷生产)与醋酸或SDW三接种物获得20°C,不管最初的微生物群落组成的差异,表明功能在VD守恒,RD, GS 20°C。然而,这种保护功能并不是有效的在10°C由于强烈的突然的选择压力,阻碍了代谢功能,因此甲烷生产10°C相比20°C。
syntrophic伙伴(乙酸细菌和产甲烷古菌)是至关重要的LCFA退化和评估通过他们的共存系统树图。OTU集群显示细菌类
Synergistia 和
Anaerolineae 分组与古细菌类
Methanomicrobia (集群存在于所有样本)和赋予功能保护VD, RD, GS 20°C。此外,在GS、细菌类
Deltaproteobacteria 和未受教育的
Aminicenantes 分组与古细菌类
甲烷菌 (集群存在只有在GS)(图
7 ),这是象征功能冗余的GS RD和VD是不存在的。作为最优代谢物syntrophic伙伴之间转移是由于近距离(
84年 ,
85年 ),不同的集群的形成在这项研究中(图
7 )表示结构接近在分子水平上显示一个潜在的互动和公认的生态位协会功能的作用。此前,格拉博夫斯基等。
66年 )已经证明的形成密切的空间关联产乙酸菌
Deltaproteobacteria (
先天病- - - - - - 相关)的产甲烷古菌-
Methanocalculus 和
Methanosaeta 原位杂交习语。在我们的研究中,聚类
Deltaproteobacteria 和
甲烷菌 在GS可能促进了降解能力和GS的甲烷生产。调查使用高通量测序(宏基因组)的紧密聚集类群细菌产乙酸菌和产甲烷古菌(如
Methanomicrobia 与
Synergistia 和
甲烷菌 与
Deltaproteobacteria 在这项研究中)可以确认的功能角色syntrophic伙伴参与集群。