一种针对ADM1模型微生物组分定量划分的方法技术

本发明专利技术中公开了一种针对ADM1模型微生物组分定量划分的方法，基于16SrRNA基因测序技术对有机固体废弃物中的微生物组分进行定量分析，并结合微生物功能分析，实现了ADM1模型初始降解菌组分的重新划分；本发明专利技术通过测定ADM1模型中7种微生物降解菌的相对丰度进而计算获得其相应浓度来作为模型输入量，解决了目前ADM1模型中7种降解菌的初始浓度全部相同而与实际厌氧消化的启动状态有偏差的问题，显著提高ADM1模型模拟厌氧消化过程产甲烷的拟合优度，对于发挥模型调控有机固废厌氧消化的作用具有重要意义。用具有重要意义。用具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种针对ADM1模型微生物组分定量划分的方法


[0001]本专利技术涉及废弃物处理
，具体涉及一种与厌氧消化模型ADM1有关的微生物组分定量方法。

技术介绍

[0002]随着城市化和工业化进程的加快，全球污水处理厂(WWTP)的数量逐年增加。作为污水处理的副产品，废弃活性污泥(WAS)具有污染物和资源的双重性质，其处置已成为一个新出现的问题。厌氧消化(AD)是实现有机固体废物减量化、无害化和资源回收的有效技术。通过数学模型模拟AD系统中的甲烷产生，有助于优化操作，提高生物转化效率。ADM1是描述厌氧消化的经典模型，可以模拟各种类型的有机底物厌氧消化过程。
[0003]ADM1模型包括四个步骤：1)污泥复合物分解步骤；2)胞外水解步骤；3)产酸、产乙酸步骤；4)产甲烷步骤。模型中的主要速率方程是描述底物吸收过程，产酸、产乙酸、产甲烷阶段的各个动力学过程都是采用莫诺特(Monod)方程形式。ADM1模型包含了7种微生物，分别是氨基酸、单糖、长链脂肪酸、戊酸和丁酸、丙酸、乙酸、氢气的降解菌。为了提高模型的拟合优度，使模型更好地指导工程上厌氧消化过程，很多研究对模型进行了优化和扩展，主要是从组分、参数、动力学过程方面展开。
[0004]目前针对厌氧消化过程中涉及的微生物研究和扩展相对较少，而污泥中微生物的分布情况对于厌氧消化启动的难易程度、后续的厌氧消化过程的推动、以及产甲烷效率都有很大的影响。现有的研究是默认ADM1模型原始状态下7种微生物降解菌的初始浓度都是相同的，但这与实际厌氧消化的启动状态存在很大偏差，影响ADM1模型模拟厌氧消化过程产甲烷的拟合优度，而目前尚缺乏该模型的初始微生物组分的定量方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的ADM1模型中7种微生物降解菌均以相同的初始浓度值来进行计算，导致模型与实际厌氧消化的启动状态存在较大偏差，降低模型拟合优度的问题，提供一种针对ADM1模型微生物组分定量划分的方法，可以对ADM1模型中的初始微生物组分进行划分，定量样品中的微生物组分，细化微生物功能，显著提高ADM1模型模拟厌氧消化过程产甲烷的拟合优度，从而提高ADM1模型的模拟准确性。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种针对ADM1模型微生物组分定量划分的方法，所述ADM1模型微生物组分包括产酸、产甲烷过程涉及的7种微生物降解菌，包括以下步骤：
[0007]S1、检测待测样品的VSS；
[0008]S2、对待测样品中细菌和古菌分别进行16S rRNA基因测序，并通过Illumina高通量测序技术测得待测样品中细菌和古菌的菌群分布情况，在门和科水平上分析细菌相对和绝对丰度，在属水平上分析古菌的相对和绝对丰度；
[0009]S3、根据S2中16S rRNA基因测序的结果分析细菌和古菌的生物功能，按照水解、产
酸、产甲烷过程涉及的微生物降解菌对样品中的细菌和古菌进行分类，从而确定分类后各个微生物降解菌的绝对丰度；
[0010]S4、将S3中分类后的各个微生物降解菌的绝对丰度相加，作为总绝对丰度，利用各个微生物降解菌的绝对丰度除以总绝对丰度，从而计算出各个微生物降解菌的相对丰度；
[0011]S5、ADM1模型中产酸、产甲烷过程涉及的7种微生物降解菌中，用每种微生物降解菌的相对丰度乘以S1中的VSS获得每种微生物降解菌的浓度，作为ADM1模型中的各个微生物降解菌浓度输入量。
[0012]优选地，所述S2中，16S rRNA基因测序后，提取并纯化PCR扩增产物，使用荧光计进行定量，纯化的扩增子以等摩尔量汇集，并在Illumina MiSeq PE300平台上进行配对末端测序，获得待测样品中细菌和古菌的菌落相对和绝对丰度；通过细菌和古菌的总绝对丰度的比值，进而在同一水平上去确定各个微生物降解菌的绝对丰度。
[0013]优选地，所述S2中，对细菌16S rRNA基因测序的引物对如SEQ ID No.1和SEQ ID No.2所示，扩增细菌16S rRNA基因的V3
–
V4可变区域；对古菌16S rRNA基因测序的引物对如SEQ ID No.3和SEQ ID No.4所示，扩增古菌16SrRNA基因基因的V4
‑
V5可变区域。
[0014]优选地，对细菌和古菌16S rRNA基因测序的PCR反应程序为：热循环在95℃下开始3分钟，然后在95℃下变性30秒，在55℃下退火30秒，在72℃下延伸45秒，在72℃下单次延伸10分钟，并在4℃结束。
[0015]优选地，所述S3中，水解、产酸、产甲烷过程涉及的微生物降解菌为：水解过程包含与水解系数紧密相关的蛋白质降解菌、碳水化合物降解菌、脂质降解菌；产酸过程包含氨基酸降解菌(X_aa)、单糖降解菌(X_su)、长链脂肪酸降解菌(X_fa)、戊酸和丁酸降解菌(X_c4)、丙酸降解菌(X_pro)；产甲烷过程包括乙酸降解菌，即乙酸营养型产甲烷菌(X_ac)、氢气降解菌，即氢营养型产甲烷菌(X_h2)。
[0016]进一步优选，所述产酸、产甲烷过程涉及的7种微生物降解菌为：产酸过程包含氨基酸降解菌(X_aa)、单糖降解菌(X_su)、长链脂肪酸降解菌(X_fa)、戊酸和丁酸降解菌(X_c4)、丙酸降解菌(X_pro)；产甲烷过程包括乙酸降解菌，即乙酸营养型产甲烷菌(X_ac)、氢气降解菌，即氢营养型产甲烷菌(X_h2)。
[0017]进一步优选，所述待测样品为有机固体废弃物。
[0018]进一步优选，所述待测样品为污泥。
[0019]本专利技术所具有的有益效果：
[0020](一)本专利技术基于16S rRNA基因测序技术对有机固体废弃物中的微生物组分进行定量分析，并结合微生物功能分析，实现了ADM1模型初始降解菌组分的重新划分；
[0021](二)本专利技术测定ADM1模型中7种微生物降解菌的相对丰度进而计算获得其相应浓度来作为模型输入量，解决了目前ADM1模型中7种降解菌的初始浓度全部相同而与实际厌氧消化的启动状态有偏差的问题，显著提高ADM1模型模拟厌氧消化过程产甲烷的拟合优度，从而提高ADM1模型的模拟准确性，对于发挥模型调控有机固废厌氧消化的作用具有重要意义。
附图说明
[0022]图1为WWTP
‑
S1在门(左图)、科(右图)水平上细菌的相对丰度分布；
[0023]图2为WWTP
‑
S1在属水平上古菌的相对丰度分布；
[0024]图3为ADM1模型以及修改微生物初始浓度的ADM1模型模拟的WWTP
‑
S1在厌氧消化期间的累积甲烷产量曲线图；
[0025]图4为WWTP
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S2在门(左图)、科(右图)水平上细菌的相对丰度分布；
[0026]图5为WWTP
‑
S2在属水平上古菌的相对丰度分布；
[0027]图6为ADM1模型以及修改微生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对ADM1模型微生物组分定量划分的方法，所述ADM1模型微生物组分包括产酸、产甲烷过程涉及的7种微生物降解菌，其特征在于，包括以下步骤：S1、检测待测样品的VSS；S2、对待测样品中细菌和古菌分别进行16S rRNA基因测序，并通过Illumina高通量测序技术测得待测样品中细菌和古菌的菌群分布情况，在门和科水平上分析细菌相对和绝对丰度，在属水平上分析古菌的相对和绝对丰度；S3、根据S2中16S rRNA基因测序的结果分析细菌和古菌的生物功能，按照水解、产酸、产甲烷过程涉及的微生物降解菌对样品中的细菌和古菌进行分类，从而确定分类后各个微生物降解菌的绝对丰度；S4、将S3中分类后的各个微生物降解菌的绝对丰度相加，作为总绝对丰度，利用各个微生物降解菌的绝对丰度除以总绝对丰度，从而计算出各个微生物降解菌的相对丰度；S5、ADM1模型中产酸、产甲烷过程涉及的7种微生物降解菌中，用每种微生物降解菌的相对丰度乘以S1中的VSS获得每种微生物降解菌的浓度，作为ADM1模型微生物组分的浓度输入量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2和S3中，16S rRNA基因测序后，提取并纯化PCR扩增产物，使用荧光计进行定量，纯化的扩增子以等摩尔量汇集，并在Illumina MiSeq PE300平台上进行配对末端测序，获得待测样品中细菌和古菌的菌落相对和绝对丰度；通过细菌和古菌的总绝对丰度的比值，进而在同一水平上去确定各个微生物降解菌的绝对丰度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2中，对细菌16S rRNA基因测序的引物对如SEQ ID No.1和SEQ ID No.2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李咏梅，郭文杰，平倩，李敦杰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：