有机固废好氧发酵减污降碳协同微生物代谢调控技术原理

有机固废资源化减污降碳与循环利用是国家重大科技需求。然而，在好氧发酵多场多流工艺条件下，微生物作用关系不清、保控节点不明，导致有机固废生物转化减污降碳协同难，资源循环利用链条不畅。本书系统介绍了多元有机固废好氧发酵主要元素（碳、氮、硫）转化、臭气与温室气体控制及新污染物抗生素抗性基因转化归趋的微生物响应关系，揭示了资源化产物、副产物微生物代谢网络定向调控机理，并耦合大数据技术方法搭建了复杂系统下微生物-代谢网络模拟与调控模型，推动固废资源化走向环境可循环的绿色发展进程。

目录
第1章 引言 1
1.1 有机固废好氧发酵研究现状 1
1.1.1 有机固废的主要类型 1
1.1.2 有机固废的主流处理方法 3
1.1.3 城乡混合垃圾好氧堆肥处理的问题与挑战 6
1.1.4 城乡混合垃圾好氧堆肥的趋势与展望 7
1.2 有机固废好氧发酵腐殖化技术现状 8
1.2.1 堆肥腐殖化过程 8
1.2.2 堆肥腐殖化调控技术 9
1.3 有机固废好氧发酵臭气控制技术现状 10
1.3.1 臭气的主要组成 10
1.3.2 臭气生成转化的途径 11
1.3.3 生物除臭技术 13
1.4 有机固废好氧发酵抗生素抗性基因研究现状 14
1.4.1 有机固废中ARGs的环境风险 15
1.4.2 好氧堆肥中ARGs的去除机制和响应途径 17
1.4.3 提高传统堆肥技术可提高ARGs降解效率 20
1.5 有机固废好氧发酵产物应用现状 25
1.5.1 有机固废好氧发酵产物生产有机肥应用现状 25
1.5.2 有机固废好氧发酵产物生产栽培基质应用现状 26
1.5.3 有机固废好氧发酵产物生产土壤修复剂应用现状 27
参考文献 28
第2章 有机固废好氧发酵微环境变化特征 44
2.1 温度变化 44
2.2 pH变化 44
2.3 含水率变化 45
2.4 有机质表征 45
2.4.1 市政污泥堆肥中的理化参数 45
2.4.2 畜禽粪便堆肥中的理化参数 46
2.4.3 不同堆肥阶段DOM结构演变特征 49
2.5 腐殖质电子转移能力 59
2.6 水溶性有机物电子转移能力 60
2.6.1 DOM电子转移能力变化趋势 60
2.6.2 DOM电子转移能力对化学结构变化的影响 61
2.7 总结与展望 63
参考文献 64
第3章 好氧发酵促进腐殖化的理论 68
3.1 腐殖化影响因素 68
3.1.1 生物强化调控 69
3.1.2 微环境调控 69
3.1.3 调理剂调控 71
3.2 堆肥腐殖化过程中微生物的作用机制 72
3.3 高通量测序技术与微生物网络 73
3.4 鸡粪好氧发酵腐殖化过程与微生物响应 75
3.4.1 堆肥微环境特征 75
3.4.2 腐殖质类有机组分变化的特征 79
3.4.3 腐殖质前体物变化 82
3.4.4 腐殖质类物质的变化 84
3.4.5 腐殖化指数 85
3.4.6 微环境与腐殖质组分的响应关系 86
3.4.7 微生物多样性分析 87
3.4.8 微生物群落演替 87
3.4.9 微生物网络构建 90
3.5 牛粪好氧发酵腐殖化过程与微生物响应 92
3.5.1 堆肥微环境特征 92
3.5.2 腐殖质类有机组分变化的特征 95
3.5.3 腐殖质前体物变化 99
3.5.4 腐殖质类物质变化 100
3.5.5 腐殖化指数 101
3.5.6 微环境与腐殖质组分的响应关系 101
3.5.7 微生物多样性分析 102
3.5.8 微生物群落演替 103
3.5.9 微生物网络构建 105
3.6 餐厨垃圾好氧发酵腐殖化过程与微生物响应 107
3.6.1 堆肥微环境特征 107
3.6.2 腐殖质类有机组分变化的特征 107
3.6.3 腐殖质前体物变化 108
3.6.4 腐殖质类物质变化 108
3.6.5 腐殖化指数 109
3.7 讨论 109
3.7.1 微生物共生模式分析 109
3.7.2 微生物网络的比较 111
3.7.3 关键分类群的识别 112
3.7.4 关键功能微生物识别 115
3.7.5 微生物与微环境的响应分析 117
3.8 总结和展望 119
参考文献 121
第4章 不同物料好氧发酵传统污染物与温室气体调控原理 133
4.1 有机固废好氧发酵传统污染物种类 133
4.2 污泥好氧发酵中重金属迁移转化特征与微生物响应机制 134
4.2.1 不同可利用态重金属含量的变化 134
4.2.2 微生物群落演替对重金属可利用性的影响 136
4.2.3 不同可利用金属的关键调控因素 138
4.3 臭气及其前体物产排规律与微生物代谢网络 140
4.3.1 鸡粪堆肥含氮硫前体物变化及其与细菌的共现网络 140
4.3.2 粪便堆肥氨化功能特征及其与细菌的共现网络 148
4.3.3 污泥堆肥含氮硫前体物变化及其与细菌的共现网络 155
4.4 温室气体产排规律与调控 163
4.4.1 堆肥中温室气体的产生规律 163
4.4.2 调控温室气体排放的方法 165
4.5 碳氮硫元素协同转化与微生物代谢调控机制 171
4.5.1 堆肥中的氮和硫功能 171
4.5.2 粪便堆肥过程中微生物对氮和硫代谢的贡献 173
4.5.3 粪便堆肥中氮硫代谢的微生物和功能网络分析 175
4.5.4 堆肥宏基因组组装分析 177
4.5.5 堆肥过程中核心功能微生物与堆肥理化特性的相关性 181
参考文献 183
第5章 有机固废好氧发酵新兴污染物迁移转化与微生物响应特征 194
5.1 有机固废好氧发酵抗生素抗性基因类型 194
5.1.1 ARGs的特性与风险 194
5.1.2 抗生素的使用与残留 195
5.1.3 污泥等有机固废中ARGs的分布 198
5.1.4 抗生素对好氧堆肥中ARGs的影响 200
5.1.5 胞内外ARGs分布特征 201
5.1.6 ARGs的水平转移途径 203
5.2 有机固废好氧发酵新兴污染物迁移转化与微生物响应特征实验参数 206
5.2.1 堆肥实验设置 206
5.2.2 理化性质测定 209
5.2.3 ARGs和微生物检测与分析 211
5.2.4 实验材料与仪器设备 214
5.2.5 数据统计分析与可视化 216
5.3 抗生素抗性基因变化归趋与宿主微生物响应关系 216
5.3.1 堆肥过程中目标ARGs和MGEs的归趋 216
5.3.2 细菌群落变化规律与ARGs潜在宿主细菌的分析 219
5.3.3 致病菌变化规律 220
5.3.4 潜在宿主微生物与MGEs和ARGs的关系 221
5.3.5 理化性质对潜在宿主微生物的影响 222
5.4 环丙沙星胁迫对好氧发酵抗生素抗性基因的影响 223
5.4.1 ARGs与移动遗传元件丰度变化 223
5.4.2 喹诺酮类ARGs的丰度变化 223
5.4.3 移动遗传元件的丰度变化 225
5.4.4 微生物群落演替规律 225
5.4.5 潜在宿主菌和ARGs共现分析 228
5.5 好氧发酵中胞内外抗生素抗性基因变化规律与微生物共现分析 230
5.5.1 胞内外ARGs和微生物群落变化特征 230
5.5.2 胞内外ARGs的VGT和HGT对其丰度变化影响 243
5.6 有机固废好氧发酵胞内外抗生素抗性水平基因转移机制 244
5.6.1 胞内ARGs水平转移机制分析 244
5.6.2 胞外ARGs水平转移机制分析 247
5.6.3 污泥堆肥中胞内外ARGs水平转移机理模型 249
5.7 好氧发酵中抗生素抗性基因防控现状与展望 252
5.7.1 结论 252
5.7.2 展望 252
参考文献 252
第6章 规模化好氧发酵中新兴污染物赋存特征与微生物响应机制 265
6.1 规模化好氧发酵工艺与实验参数 266
6.1.1 规模化好氧发酵工艺参数 266
6.1.2 快速好氧发酵工艺与样品收集 266
6.1.3 理化性质测定 267
6.1.4 微生物与目标基因检测 267
6.2 抗生素抗性基因的赋存和微生物群落特征 269
6.2.1 城市生活垃圾好氧堆肥过程中ARGs的分布特征 269
6.2.2 制药污泥好氧堆肥过程中ARGs的分布特征 271
6.2.3 城市生活垃圾好氧堆肥过程中MGEs的变化归趋 273
6.2.4 制药发酵污泥好氧堆肥过程中MGEs的变化归趋 274
6.2.5 好氧堆肥过程中微生物群落结构演替 274
6.3 抗生素抗性基因宿主微生物识别与微环境响应途径 279
6.3.1 城市生活垃圾好氧堆肥的潜在宿主微生物 279
6.3.2 制药污泥好氧堆肥的潜在宿主微生物 280
6.3.3 MGEs的潜在宿主微生物识别及对ARGs的影响 281
6.3.4 微环境、微生物对抗性基因的响应 283
6.4 规模化堆肥中抗生素抗性基因防控的环境意义 287
6.5 总结和展望 288
6.5.1 总结 288
6.5.2 展望 289
参考文献 289
第7章 有机固废好氧发酵过程中NH3、腐殖质及H2S产生预测 293
7.1 好氧发酵模型国内外研究现状 293
7.1.1 机理模型研究现状 294
7.1.2 数据模型研究现状 296
7.2 产生预测模型的研究理论 297
7.2.1 发酵动力学 297
7.2.2 卷积神经网络 299
7.3 好氧发酵氮代谢耦合模型 312
7.3.1 代谢网络关键途径 312
7.3.2 代谢动力学耦合模型 314
7.3.3 模型参数辨识及分析 316
7.4 基于卷积神经网络的NH3预测模型 326
7.4.1 好氧发酵全周期拟合 326
7.4.2 卷积神经网络构建与验证 330
7.4.3 卷积神经网络结构优化 337
7.4.4 基于不同模型原理的NH3预测软件 341
7.5 腐殖质和H2S的产生预测模型 345
7.6 可视化平台 347
7.7 总结和展望 348
参考文献 349