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在厌氧发酵产甲烷的反应系统中，反应系统很容易受到环境因子的干扰而降低产气效率和系统稳定性。本论文主要考察厌氧发酵系统的两大主要影响因素-氨氮浓度与pH值。通过对厌氧发酵系统的培养，考察在不同氨氮与pH值条件下对产气效率的影响，并通过高通量测序技术手段获取不同条件下16S rDNA的基因序列，利用生物信息学方法进行分析，最终得到在不同的环境因子影响下，反应系统中的微生物群落组成及其与反应系统产气效率的相关性。通过宏转录组学的分析，发现氨氮浓度的变化对相关基因和代谢过程的影响，为厌氧发酵系统的改进提供理论基础。其主要研究结果如下: (1)氨氮浓度对厌氧发酵系统产气效率和微生物群落结构的影响 本研究以猪粪为发酵底物，研究氨氮浓度为1000mg/L、2500mg/L、4000mg/L、5500mg/L以及7000mg/L的情况下厌氧发酵系统的产气效率和微生物群落结构组成的变化。通过对反应过程的理化性质的测定，得到厌氧反应器的产气效率和VFA浓度变化等表现型参数;同时通过Illumia Miseq测序平台测定各个反应器中样品的16S rRNA gene(16S rDNA)序列，经过一系列的分析处理，得到了其中的微生物群落结构信息。 通过对理化参数和微生物群落结构两方面的分析，我们发现当氨氮浓度的含量低于4000mg/L时，各个反应器中的甲烷产生速率是相似的且与对照组无显著差异，而当氨氮浓度达到5500mg/L和7000mg/L时，与对照组相比，甲烷产生速率分别降低了30％和41％。不同的微生物群落对不同的氨氮浓度具有不同的响应。一些嗜氮的微生物，如，Clostridium和Peptostreptococcus与氨氮浓度成显著正相关，而一些对酸敏感的微生物，如，Syntrophomonas和Sedimentibacter与氨氮浓度所造成的酸性条件成显著负相关。在不同的氨氮浓度条件下，甲烷八叠球菌（Methanosarcina）均占据主要地位，是各个反应器中主要的产甲烷古菌。但是，当氨氮浓度高于4000mg/L时，随着氨氮浓度的增加，氢营养型产甲烷古菌以及产甲烷古菌的多样性随着氨氮的增加而增大。我们采用部分最小平方路径建模法分析表明氨氮浓度对甲烷产生的影响主要是通过影响微生物群落结构组成而实现的。 (2)高氨氮浓度对厌氧发酵过程中微生物活性及转录的影响 本研究以猪粪为发酵底物，研究氨氮浓度为1000mg/L、5500mg/L以及7000mg/L的情况下厌氧发酵系统中微生物的活性菌群及代谢途径的差异。通过对不同氨氮浓度的反应系统中16S rRNA和转录组数据的测定，将得到的数据进行生物信息学分析，找出不同反应器中活性微生物和基因表达的差异。 16S rRNA数据表明，在对照组中主要的活性微生物是Ruminofilibacter和Lactobacillus，而在高氨氮浓度的反应器中，占据主要地位的活性微生物则为Clostidium和Peptostreptococcus。在高氨氮浓度的反应系统中，活性微生物的丰富度与多样性都显著增加，表明在高氨氮浓度条件下形成了新的特定的生态位。在对转录组数据进行分析过程中发现，Dormancy and Sporulation和Cell Wall and Capsule等与孢子生殖和细胞结构相关的代谢过程基因随着氨氮浓度的增加而增强;而Cell Division and Cell Cycle和Miscellaneous等与细胞分裂相关的代谢过程在高氨氮浓度条件下则受到抑制，表明微生物生长可能受到抑制。通过对产甲烷过程中的关键酶的分析发现，乙酸代谢途径和氢营养代谢途径同时存在各个反应系统中，且乙酸途径占据主要地位，但是，随着氨氮浓度的增加，产甲烷过程中相应酶的转录表达量逐渐减少。 (3)pH值对厌氧发酵系统产气效率和微生物群落结构的影响 本研究以猪粪为发酵底物，研究pH值分别为5.0、6.0、7.0、8.0以及9.0的情况下厌氧发酵系统的产气效率和微生物群落结构组成的变化。通过对反应过程的理化性质的测定，得到厌氧反应器的产气效率等表现型参数;同时通过Illumia Miseq测序平台测定各个反应器中样品的16S rDNA序列，经过一系列的分析处理，得到了其中的微生物群落结构信息。 通过对理化参数和微生物群落结构两方面的分析，我们发现当反应系统pH值高于7.0时，各个反应器中的甲烷产量相似;当pH值为6.0时，甲烷产量降低到了pH值为7.0时的30％;而当pH值为5.0时，基本上不产甲烷。反应系统中的微生物群落结构在不同的pH值条件下也具有明显的差异。各个反应系统中的微生物大多属于酸敏感型微生物，它们与pH值呈现显著负相关;而Sedimentibacter、Ruminococcus和Syntrophomonas则与pH值成显著正相关。Methanosarcina和Methanobrevibacter是各个pH值条件下主要的产甲烷古菌。在pH值为5.0和6.0的反应系统中，Methanobrevibacter是产甲烷过程中最主要的甲烷古菌;而在pH值为7.0、8.0和9.0的反应系统中，Methanosarcina和Methanobrevibacter共同起作用，将挥发性脂肪酸转化为甲烷。部分最小平方路径建模法分析表明，pH值对厌氧发酵系统中甲烷产生的影响主要是通过改变反应系统中微生物群落结构组成而实现的。