發(fā)酵法生物制氫是真正意義上可持續(xù)和碳中性的制氫方式。然而光發(fā)酵產(chǎn)氫很難獲取連續(xù)的自然光源，暗發(fā)酵產(chǎn)氫的氫回收率有待進(jìn)一步提高，且發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌常常受到底物代謝障礙和生長條件障礙的限制。微生物電解池（microbialelectrolysis cell，MEC）是最前沿的生物制氫技術(shù)，其結(jié)合了生物和電化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)點，理論上可突破許多發(fā)酵法產(chǎn)氫的熱力學(xué)壁壘。針對發(fā)酵法制氫存在的問題，本文考察了利用MEC轉(zhuǎn)化發(fā)酵產(chǎn)物和不可發(fā)酵產(chǎn)氫底物為氫氣的可行性�？疾炝薓EC是否具有比發(fā)酵法更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。同時，采用最新的電化學(xué)和分子生物學(xué)手段，研究了MEC陽極生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)對環(huán)境條件（溫度、底物）變化的響應(yīng)及種群互作機(jī)制，用于解析復(fù)雜底物的代謝過程。探明了反應(yīng)器中電子、氫氣和能量的具體歸宿，并據(jù)此提出了提高M(jìn)EC氫氣回收率的調(diào)控策略。 開展了利用糖蜜廢水的乙醇型發(fā)酵連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）耦合單室MEC梯級產(chǎn)氫。經(jīng)MEC強(qiáng)化產(chǎn)氫后，產(chǎn)氫速率和氫氣回收率從單獨發(fā)酵時的0.7m~3-H₂/m~3/d和14%提高至耦合系統(tǒng)的2.11m~3-H₂/... 

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【學(xué)位級別】：博士

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摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題來源
    1.2 研究背景和意義
        1.2.1 碳中性可持續(xù)制氫的重要性
        1.2.2 發(fā)酵法生物制氫的局限
    1.3 微生物電解池（MEC）的工作原理和構(gòu)型
    1.4 MEC 突破發(fā)酵產(chǎn)氫局限的可行性分析
        1.4.1 MEC 繼續(xù)轉(zhuǎn)化發(fā)酵產(chǎn)物為氫氣
        1.4.2 MEC 突破發(fā)酵產(chǎn)氫底物代謝局限
        1.4.3 MEC 突破發(fā)酵產(chǎn)氫溫度限制
    1.5 MEC 陽極生物膜群落結(jié)構(gòu)的研究意義及進(jìn)展
        1.5.1 增加對陽極微生物的認(rèn)識
        1.5.2 揭示陽極微生物在降解復(fù)雜底物過程中的互養(yǎng)關(guān)系
        1.5.3 揭示陽極微生物對氫氣的競爭關(guān)系
    1.6 MEC 產(chǎn)氫面臨的主要問題
        1.6.1 缺乏利用廉價生物質(zhì)產(chǎn)氫研究
        1.6.2 存在多條氫損失途徑
        1.6.3 復(fù)雜底物下陽極微生物群落結(jié)構(gòu)尚待揭示
    1.7 研究內(nèi)容和技術(shù)路線
        1.7.1 研究內(nèi)容
        1.7.2 研究技術(shù)路線
第2章 實驗材料與方法
    2.1 MEC 及暗發(fā)酵制氫反應(yīng)器構(gòu)型
        2.1.1 單室 MEC 反應(yīng)器
        2.1.2 雙室 MEC 反應(yīng)器
        2.1.3 暗發(fā)酵制氫反應(yīng)器
    2.2 MEC 的啟動與運行
    2.3 MEC 性能的評價方法
        2.3.1 氫氣產(chǎn)率
        2.3.2 氫回收率
        2.3.3 產(chǎn)氫速率
        2.3.4 能量轉(zhuǎn)化效率
    2.4 暗發(fā)酵制氫反應(yīng)器運行與產(chǎn)氫菌種培養(yǎng)
    2.5 分析檢測方法
        2.5.1 氣體的測量與分析
        2.5.2 相關(guān)化學(xué)分析
        2.5.3 三維熒光光譜分析
        2.5.4 激光共聚焦顯微鏡分析
    2.6 微生物群落結(jié)構(gòu)分析方法
        2.6.1 基因組 DNA 提取
        2.6.2 16S rRNA 基因擴(kuò)增
        2.6.3 16S rRNA 基因克隆文庫構(gòu)建
        2.6.4 16S rRNA 基因變性梯度凝膠電泳（DGGE）
        2.6.5 實時定量 PCR 分析
        2.6.6 高通量 16S rRNA 基因焦磷酸測序
        2.6.7 生物信息學(xué)和統(tǒng)計學(xué)分析
第3章 發(fā)酵系統(tǒng)耦合 MEC 梯級產(chǎn)氫及陽極生物膜群落結(jié)構(gòu)響應(yīng)
    3.1 引言
    3.2 乙醇型暗發(fā)酵產(chǎn)氫
        3.2.1 利用糖蜜廢水的混菌發(fā)酵產(chǎn)氫
        3.2.2 利用葡萄糖的純菌發(fā)酵產(chǎn)氫
    3.3 MEC 利用糖蜜廢水發(fā)酵液產(chǎn)氫
        3.3.1 產(chǎn)氫速率及氣體成分
        3.3.2 氫及能量收益
        3.3.3 電極極化研究
        3.3.4 MEC 對有機(jī)物的降解
        3.3.5 MEC 及耦合系統(tǒng)效能分析
    3.4 MEC 利用純菌發(fā)酵液產(chǎn)氫及生物膜群落結(jié)構(gòu)響應(yīng)
        3.4.1 MEC 及耦合系統(tǒng)的產(chǎn)氫效能
        3.4.2 生物膜群落結(jié)構(gòu)對不同發(fā)酵產(chǎn)物的響應(yīng)
    3.5 本章小結(jié)
第4章 MEC 突破發(fā)酵產(chǎn)氫局限直接利用蛋白質(zhì)產(chǎn)氫
    4.1 引言
    4.2 降解蛋白陽極生物膜的富集
    4.3 MEC 直接利用蛋白產(chǎn)氫的效能
        4.3.1 單室 MEC 的電流密度
        4.3.2 單室 MEC 中氫氣和甲烷的產(chǎn)率
        4.3.3 單室 MEC 的產(chǎn)氫速率
        4.3.4 單室 MEC 中氫及能量收益
        4.3.5 單室 MEC 對有機(jī)物的去除
        4.3.6 雙室 MEC 利用蛋白產(chǎn)氫的效能
    4.4 蛋白降解過程中的氮平衡分析
    4.5 MEC 利用蛋白產(chǎn)氫的特性研究
        4.5.1 蛋白和其它有機(jī)物在 MEC 中產(chǎn)氫的差異
        4.5.2 蛋白在 MEC 中的產(chǎn)電和產(chǎn)氫差異
        4.5.3 MEC 利用蛋白產(chǎn)氫過程中的電子內(nèi)循環(huán)
    4.6 陽極生物膜群落結(jié)構(gòu)對蛋白底物的響應(yīng)
    4.7 本章小結(jié)
第5章 MEC 利用剩余污泥產(chǎn)氫及陽極生物膜群落結(jié)構(gòu)響應(yīng)
    5.1 引言
    5.2 MEC 利用剩余污泥產(chǎn)氫
        5.2.1 剩余污泥的堿預(yù)處理
        5.2.2 MEC 的富集和電流產(chǎn)生
        5.2.3 氫氣產(chǎn)率
        5.2.4 氫及能量收益
        5.2.5 污泥中有機(jī)物的變化
        5.2.6 污泥組分的 EEM 光譜分析
        5.2.7 MEC 利用剩余污泥產(chǎn)氫的優(yōu)勢及問題分析
    5.3 陽極生物膜群落結(jié)構(gòu)響應(yīng)
        5.3.1 微生物種群豐度和多樣性
        5.3.2 微生物群落差異性分析
        5.3.3 微生物群落結(jié)構(gòu)
        5.3.4 復(fù)雜底物下的微生物種群互作
    5.4 本章小結(jié)
第6章 MEC 低溫產(chǎn)氫及陽極生物膜群落結(jié)構(gòu)響應(yīng)
    6.1 引言
    6.2 低溫下 MEC 利用乙酸鈉產(chǎn)氫及生物膜群落結(jié)構(gòu)響應(yīng)
        6.2.1 低溫下 MEC 的富集啟動
        6.2.2 MEC 的產(chǎn)氫過程
        6.2.3 產(chǎn)氫速率和氫氣產(chǎn)率
        6.2.4 氫及能量收益
        6.2.5 低溫對甲烷菌生長的抑制
        6.2.6 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)對低溫的響應(yīng)
        6.2.7 MEC 低溫產(chǎn)氫效能分析及生物學(xué)意義
    6.3 低溫下 MEC 利用葡萄糖產(chǎn)氫及生物膜群落結(jié)構(gòu)響應(yīng)
        6.3.1 低溫下 MEC 的啟動和產(chǎn)氫
        6.3.2 反應(yīng)過程中的產(chǎn)物積累
        6.3.3 生物膜的 CV 特性
        6.3.4 生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)
        6.3.5 低溫下的微生物種群互作
    6.4 溫度交替變化時生物膜中的甲烷菌群落動態(tài)
        6.4.1 甲烷菌種類分析
        6.4.2 在 4°C 與 30°C 間變化時的甲烷菌群落動態(tài)
        6.4.3 在 9°C 與 30°C 間變化時的甲烷菌群落動態(tài)
        6.4.4 恒定 15 °C 和 20 °C 時的甲烷菌群落動態(tài)
        6.4.5 甲烷菌群落對溫度的響應(yīng)機(jī)制
    6.5 溫度交替變化時生物膜中的細(xì)菌群落動態(tài)
    6.6 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其它成果
致謝
個人簡歷


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]無介體微生物燃料電池的研究進(jìn)展[J]. 黃霞,梁鵬,曹效鑫,范明志.  中國給水排水. 2007(04)
[2]嗜冷產(chǎn)甲烷菌及其在廢水厭氧處理中的應(yīng)用[J]. 左劍惡,邢薇.  應(yīng)用生態(tài)學(xué)報. 2007(09)
[3]缺氧嗜甲烷古菌研究進(jìn)展[J]. 李江,劉曉風(fēng),廖銀章,袁月祥,閆志英.  應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報. 2011(05)

博士論文
[1]有機(jī)廢水微生物電解產(chǎn)氫研究及電極微生物功能解析[D]. 劉文宗.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2011
[2]微生物燃料電池中多元生物質(zhì)產(chǎn)電特性與關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 王鑫.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010
[3]微生物燃料電池中產(chǎn)電菌與電極的作用機(jī)制及其應(yīng)用[D]. 曹效鑫.清華大學(xué) 2009
[4]微生物燃料電池處理有機(jī)廢水過程中的產(chǎn)電特性研究[D]. 尤世界.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2008
[5]廢水生物處理過程的紫外與熒光光譜解析[D]. 李衛(wèi)華.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2008
[6]產(chǎn)氫—產(chǎn)乙醇細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與功能研究[D]. 邢德峰.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2006

碩士論文
[1]應(yīng)用454測序技術(shù)分析菌群結(jié)構(gòu)的方法學(xué)研究[D]. 華蔚穎.上海交通大學(xué) 2010



本文編號：3711287