中文摘要：

基于甲烷氧化菌活性的生物覆盖技术是填埋气减排的一种重要手段。由于受氧气（大气）自然扩散的影响，目前这种技术存在氧气瓶颈制约，甲烷氧化受到与氧扩散相关的诸多因素的影响，氧化性能不稳定。本项目以新开发的"呼吸型"覆盖层技术为依托，在解决了氧气制约的前提下，首次开展不同通量甲烷氧化的氧气响应机制研究，建立甲烷氧化的双因子动力学方程，获得甲烷高效氧化的最优氧气响应值预测方法，为呼吸型覆盖层操作优化提供关键参数；通过PCR-DGGE和实时定量PCR技术，分析不同甲烷氧气比率所响应的优势菌类型和数量，获得甲烷氧化速率与氧气以及功能菌群落结构之间响应关系；采用放射性碳同位素（14C）标记技术偶联磷脂脂肪酸(PLFA)检测，定量分析不同氧分压对甲烷氧化菌碳同化和异化代谢途径分配的影响，评估不同条件下甲烷碳生命周期的环境意义。研究成果将为高通量甲烷的微生物转化带来新的机理认识。

结论摘要：

本课题以呼吸型覆盖层技术为依托，首次提出填埋场覆盖层甲烷氧化效率的双因素理论，建立了甲烷氧化的双因子动力学方程，获得自充氧生物覆盖层技术的优化操作参数，确定自充氧生物覆盖层中最佳氧气浓度值应为甲烷释放浓度的3倍；得到自充氧生物覆盖层最优操作条件下甲烷氧化效率与覆盖层结构参数的理论关系。揭示不同通量甲烷氧化的氧气响应微生物学机理通过研究不同填埋情景下，低浓度、中浓度、高浓度甲烷胁迫的氧气响应机制，分析甲烷氧化速率与氧气以及功能菌群落结构之间响应关系。基于DGGE方法的甲烷氧化菌群落结构解析发现，自充氧生物覆盖层中甲烷氧化菌类型与典型填埋场覆盖层有明显差异，I型甲烷氧化菌在氧气浓度相对较高、甲烷浓度相对较低的自充氧生物覆盖层中取代了传统填埋场覆盖层中II型甲烷氧化菌的优势地位。进一步通过实时定量PCR技术对模拟自充氧生物覆盖层中的6类甲烷氧化菌进行定量分析，发现Mbac、Mcoc和TypeII类甲烷氧化菌在自充氧生物覆盖层中占优势；通过反转录RT-PCR的方法检测自充氧生物覆盖层中甲烷氧化菌的功能基因表达，发现自充氧生物覆盖层中活性最高的甲烷氧化菌类型为Mbac；甲烷氧化菌的单位细胞氧化速率为4.66~98.7×10-16 mol/（cell？h），与传统填埋场覆盖层相比提高了近10倍，表明自充氧生物覆盖层达到高效甲烷氧化的主要原因是由于甲烷氧化活性的提高。基于PLFAs的甲烷氧化菌多样性和菌群类型分析显示，各反应器中的甲烷氧化菌以Ⅰ型为主。其PLFAs以16:1ω7c为主，构成与Methyloccus luteus和Methylococcus whitternburyi有较高相似度；Ⅱ型甲烷氧化菌PLFAs以18:1ω8c为主，是一种未知菌。研究表明，在较高氧分压下，I型甲烷氧化菌无论在较低浓度甲烷还是在高浓度甲烷条件下，均占有优势，并表现出更高的同化速率。采用13C同位素标记技术耦合磷脂脂肪酸(PLFA)检测法定量分析不同氧分压下甲烷氧化菌碳同化和异化过程的分配，结果显示，氧分压介于5~15%之间时，甲烷氧化菌的同化-异化比为1: 6左右，首次量化了甲烷氧化菌在填埋场碳生命周期循环中的潜能。