填埋场多电子受体耦合厌氧甲烷汇机理研究

Methane mitigation in landfills is a necessary way to control greenhouse effect. Microbial mediated oxidation is the sole way of biological methane mitigation. Utilizing aerobic methane oxidation capacity of landfill biocover is a main mean to passively control emission of methane from landfills. But due to the limit of aerobic area in landfill biocover, the methane oxidation capacity is low. With the findings of anaerobic methane oxidation (AMO) process coupled with single electron acceptor reduction, the function of anaerobic habitat is changing form source of methane into both source and sink of methane. But few studies focus on landfills anaerobic habitat where multi-electron acceptors exist. AMO in landfill is lack of evidence and the mechanism is unclear. The project would investigate influence of landfill technology and parameter on AMO to identify coupled electron acceptors of AMO in landfill. Community diversity of function microorganisms coupled with multi-electron acceptors is investigated to reveal microbiology mechanism of anaerobic methane oxidation in landfills. Kinetics of anaerobic methane oxidation coupled with multi- electron acceptors is investigated to predict the optimal efficient of AMO. The findings would provide an important parameter for optimizing AMO in landfills. This study would expand methane mitigation areas in landfills, and make it play an important role in slowing global climate warming.

甲烷生物氧化是减少其排放的唯一生物汇行为，利用覆盖层进行好氧甲烷氧化是目前填埋场甲烷自然减排的主要途径，但覆盖层有效氧化区小、减排量有限。随着耦合单电子受体（如硫酸盐、硝酸盐等）厌氧甲烷氧化（AMO）的发现，为填埋场中广泛存在的厌氧生境甲烷减排提供了新的思路。但对于垃圾填埋场来说，是一个多种电子受体共存的生境，填埋场耦合多电子受体AMO的证据不足、机理不明。本研究拟通过考察填埋技术及运行参数对AMO的影响，获得填埋场AMO的直接证据，识别填埋场AMO过程及电子受体耦合体系；基于高通量测序和反转录定量PCR方法，揭示填埋场多电子受体共存环境中厌氧甲烷汇的生态学特征，识别多电子受体耦合AMO体系功能菌群结构、数量和类型的响应；建立多电子受体耦合AMO动力学模型，评估填埋场厌氧甲烷汇贡献，为填埋场高效AMO提供技术参数。该项目为基于生物转化的填埋场甲烷污染原位控制屏障技术的开发提供理论依据。

本研究以填埋堆体为研究对象，针对多种电子受体耦合的厌氧甲烷氧化（AMO）汇行为，探索了填埋场AMO的直接证据，研究了不同电子受体耦合的AMO动力学过程，以及相应的微生物学机理。研究成果对填埋场厌氧生境的甲烷汇的认识和调控具有重要意义。得到的主要研究结论如下：. 1）SRB (Desulfobulbus and Desulfococcus) 和 ANME (Methanomicrobiales and Methanosarcinales)是填埋场中与AMO相关的功能微生物；SR-DAMO和M/IR-DAMO在填埋场中广泛存在；由于填埋场中缺乏硝酸盐或亚硝酸盐的电子受体，NR-DAMO在填埋场中作用较弱。由此可以推测，通过增加填埋场中电子受体类型和浓度，可以增加填埋场中厌氧甲烷氧化作用，是强化填埋场厌氧甲烷汇的途径。. 2）耦合铁还原的厌氧甲烷氧化最大反应速率为89μmol•kg-1d-1，耦合硫酸盐还原的厌氧甲烷氧化的最大速率为170μmol•kg-1d-1，耦合硝酸盐还原的厌氧甲烷氧化最大速率为204μmol•kg-1d-1。相比于好氧甲烷氧化，甲烷厌氧氧化的反应速率低大约1个数量级，但填埋场厌氧甲烷氧化区域范围（＞10m）远大于好氧甲烷氧化（30～50cm），因此填埋场厌氧甲烷氧化的潜力远大于好氧甲烷氧化。. 3）AMO可实现填埋堆体中的厌氧甲烷削减，在90cm的高度可实现甲烷削减通量为0.6 mmol/(kg d)，由此推测，真实填埋场高度上（＞10m）可实现甲烷厌氧削减通量6.7 mmol/(kg d)以上，具有较大的甲烷削减和温室效应缓解潜势。.