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微生物厌氧产甲烷过程既可以产生绿色能源又能够对有机废物进行无害化处理,对于当今日益严峻的能源危机以及环境问题具有重要影响。最新的研究表明,产甲烷过程中存在着互营菌与产甲烷菌间的种间电子传递过程,通过添加外源材料影响和介导该过程可以实现对产甲烷过程的调控。本研究选择乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠三种短链脂肪酸以及复杂底物对苯二甲酸为碳源,探讨纳米TiO2对厌氧产甲烷过程的影响,并对反应过程中的性质指标、材料与微生物的作用情况和微生物种群变化进行考察,以期探索材料对产甲烷过程的影响机制。取得的主要研究结果如下:(1)在以乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠为碳源的产甲烷体系中均发现纳米TiO2能够显著促进产甲烷过程。乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠体系中最大产甲烷速率分别提高43.3%、27.3%和47.4%,最大累计甲烷产量分别提高25.2%、7.7%和6.3%,乙酸钠和丁酸钠体系的产甲烷停滞期分别缩短了 22.2%和20.0%,对丙酸钠体系的停滞期没有影响;同时纳米TiO2的添加也加速乙酸钠和丙酸钠体系的碳源消耗过程,丁酸钠体系虽然对初始碳源的消耗过程没有影响,但中间产物乙酸的消耗过程同样被加速。(2)纳米TiO2的添加明显改变了乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠体系的微生物群落结构,并可能加速了互营菌与产甲烷菌间的种间直接电子传递过程(direct interspeciese electron transfer,DIET)。微生物群落分析表明,TiO2的加入提高了乙酸钠体系中细菌Proteiniclasticum和产甲烷菌Methanosarcina的含量,丙酸钠体系中细菌 Coriobacteriaceae、Anaerolineaceae 和产甲烷菌 Methanosarcina、Methanobacterium以及丁酸钠体系中细菌Pseudomonas、Syntrophomonas和产甲烷菌Methanosarcina、Methanobacterium也得到大量富集,并且三种体系中总的产甲烷菌含量均明显提高。另外富集的产甲烷菌Methanobacterium、Methanosarcina可能参与了 DIET过程,进一步对沉积物的导电性分析以及SEM和XRD表征可知,TiO2的加入提高了反应体系的导电性并且它与微生物的分布情况不利于种间H2/甲酸传递,这也印证了上述结论。(3)进一步采用纳米TiO2研究了复杂碳源对苯二甲酸的产甲烷过程。结果显示TiO2的加入使得该体系最大产甲烷速率提高了 40.0%,最大累积甲烷产量增长了 27.7%,产甲烷周期减少了 8.0%,同时底物对苯二甲酸完全降解时间缩短了 19.2%。(4)纳米TiO2的加入改变了对苯二甲酸体系的微生物群落结构,可能加速了互营菌和产甲烷菌之间的DIET过程。TiO2富集了对苯二甲酸分解细菌Syntrophorhabdus和产甲烷菌Methanolinea、Methanosaeta,同时总的产甲烷菌含量也大幅度提高。另外产甲烷菌Methanolinea和Methanosaeta可能具备DIET能力,对反应体系中颗粒污泥导电性的分析、SEM表征和XRD分析也进一步表明了该种可能性。