填埋场覆盖土层中甲烷氧化微生物的功能表达及其环境响应机理

针对目前垃圾填埋气中甲烷对环境和生态系统影响的问题。本项目拟选择垃圾填埋场覆盖土层中甲烷氧化微生物的作用为研究对象，结合野外原位分析与实验室模拟试验，研究垃圾填埋场稳定化过程中覆盖土层氧化填埋气中甲烷活性的时空变化特征；并采用13CH4、13CH4和填埋气共存脉冲标记的SIP微环境方式，研究填埋气胁迫下覆盖土层中活跃的甲烷氧化微生物种群结构与演替规律，探讨覆盖土层甲烷氧化过程中sMMO、pMMO、MDH等功能基因的表达，构建其中活跃的甲烷氧化微生物与其功能基因的克隆文库。分别从垃圾填埋场覆盖土层的环境因子、甲烷氧化活性、活跃的甲烷氧化微生物种群结构与其功能基因表达等层面，逐层深入地探索垃圾填埋场稳定化过程中覆盖土层中甲烷氧化微生物的功能表达及其环境响应机理。为科学利用垃圾填埋场覆盖土层的环境效应，减少填埋气的环境污染提供基础性资料和理论依据。

在基金项目的支持下，本课题组以垃圾填埋场“填埋气—大气”体系的环境界面—覆盖土层为研究对象，在调研浙江省具有代表性的填埋气回收利用的杭州市天子岭废弃物处理总场和未进行填埋气回收利用的绍兴大坞岙垃圾填埋场的甲烷、恶臭气体H2S等排放量及其覆盖土层甲烷氧化微生物、硫生物转化的主要功能微生物---硫氧化细菌和硫酸盐还原细菌的丰度和多样性的时空变化特征的基础上，采用生物处理后的生活垃圾，自主研发了一种可作为填埋场替代覆盖材料的垃圾生物覆盖土（WBS）；并针对填埋气是一种多种污染物集合体的特性，率先将WBS的环境效应拓展到对填埋气中H2S、三氯乙烯（TCE）、甲苯、氨气（铵）等污染物及其对甲烷氧化的反馈影响研究。结果表明随着填埋场覆盖土层的深度、年限和季节的变化，甲烷氧化细菌、硫氧化细菌和硫酸盐还原细菌的种群结构呈现动态变化。在pH、湿度、甲烷浓度、有机质和总氮含量等环境因子中，pH、湿度、甲烷浓度是影响甲烷氧化细菌种群结构的主要因子。WBS作为填埋场覆盖材料的最适组成为：原始pH值、40-45%的含水率、粒径≤ 4mm的颗粒。WBS氧化甲烷过程遵循Michaelis-Menten 模型。实验室模拟垃圾填埋场研究表明，WBS对甲烷的去除率可达到94-96％，约为常规的填埋场覆盖土(LCS)的10-20倍。填埋气能够刺激WBS中细菌、放线菌、硫氧化细菌和硫酸盐还原细菌的生长。LCS和WBS对TCE的降解速率随着TCE浓度的增大而增大。与LCS相比，WBS具有较高的TCE生物降解速率。荧光定量PCR分析表明WBS的甲烷氧化细菌数量比LCS层高1~2个数量级。LCS主要为II型甲烷氧化细菌Methylocystis；而WBS主要I型甲烷氧化细菌Methylocaldum和Methylobacter。在填埋垃圾稳定化过程中填埋场覆盖土层中甲烷氧化微生物种群结构及其相对丰度随甲烷流量的变化呈时空动态变化。总之，本课题研究表明，与LCS相比，WBS不仅具有较高的甲烷氧化活性，而且对H2S、三氯乙烯、甲苯等污染物都具有较高的净化性能，是一种优良的填埋气污染物减排的垃圾填埋场覆盖土的替代材料。