本文關(guān)鍵詞：共培養(yǎng)菌群強(qiáng)化秸稈厭氧消化及微生物學(xué)機(jī)制研究

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【摘要】：厭氧消化是秸稈資源化的重要途徑,水解過程是該途徑的主要限速步驟。沼液沼渣,厭氧污泥,畜禽糞便等是常見的接種物來源,但是由于缺乏合適的環(huán)境選擇壓力,往往無法形成高效水解菌群。為此本研究通過添加厭氧污泥到瘤胃微生物中構(gòu)建共培養(yǎng)菌群,分別在批次和半連續(xù)模式下考察強(qiáng)化秸稈厭氧消化的過程;借助于分子生態(tài)學(xué),金屬形態(tài)分布特征以及三維熒光光譜-平行因子分析技術(shù)(EEM-PARAFAC)等手段,闡明其微生物學(xué)機(jī)制,并分析秸稈原料消化體系運(yùn)行失穩(wěn)的影響因素。主要結(jié)論如下:半連續(xù)條件下,有機(jī)負(fù)荷(OLR)為1.5 g/(L·d),3.5 g/(L·d)和7 g/(L·d)時,共培養(yǎng)體系比單瘤胃體系甲烷產(chǎn)率分別提高了1.79,2.07和2.26倍。沼氣中的甲烷含量明顯提高(p0.05),在32-44%之間變動。共培養(yǎng)體系揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)無積累,pH值維持在6.8-7.68之間;濾紙酶(FPase)和羧甲基纖維素酶(CMCase)酶活呈增加趨勢,顯著高于對照體系(p0.05)。厭氧消化后,甲烷短桿菌屬(Methanobrevibacter)成為優(yōu)勢菌屬,來自于污泥的甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina)成為第二大菌屬。共培養(yǎng)水解菌群結(jié)構(gòu)變化明顯,梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)仍是優(yōu)勢菌屬,但瘤胃球菌屬(Ruminococcus)提高顯著。來源于瘤胃的擬桿菌屬(Bacteroides),纖維桿菌屬(Fibrobacter)和醋弧菌屬(Acetivibrio)從體系中消逝。共培養(yǎng)體系中Ruminococcus與Methanobrevibacter功能菌群的協(xié)作實(shí)現(xiàn)了水解和產(chǎn)甲烷活性的提高。在瘤胃菌群(RM)和厭氧污泥(AS)接種比分別為1:1,1:2,2:1,1:0和0:1(揮發(fā)性固體VS比)的條件下,研究稻秸的厭氧消化特性。共培養(yǎng)體系(接種比1:1,1:2,2:1)稻秸的甲烷產(chǎn)率提高了三倍左右。在接種比為1:1時有最高甲烷產(chǎn)率273.64 mL/g VS,達(dá)到了理論產(chǎn)值的78.21%。共培養(yǎng)顯著提高了木聚糖酶和纖維素酶活性(p0.05),使降解率在43.95%-44.64%之間變動,是稻秸高效降解的關(guān)鍵。厭氧消化后,共培養(yǎng)菌群結(jié)構(gòu)變化明顯。固相中纖維素水解菌主要來自梭菌目(Clostridiales),包括了多糖降解菌(Proteiniclasticum,Lutispora)和產(chǎn)乙酸菌(Tissierella,Sedimentibacter)的協(xié)同代謝,而半纖維素降解菌隸屬芽孢桿菌屬(Lysinibacillus)。水解菌和嗜乙酸型甲烷菌(Methanosarcina和Methanosaeta)共存于稻秸殘?jiān)�。液相中甲烷絲菌屬(Methanosaeta)與互營桿菌屬(Syntrophobacter)或消化腸狀菌屬(Pelotomaculum)形成互營氧化菌群減少丙酸積累,加快了厭氧消化的啟動時間。利用混合秸稈作為原料,研究半連續(xù)條件下不同OLR和回流比的厭氧消化特性。在OLR為4 g/(L·d),回流比為1:1時,最大甲烷產(chǎn)率為217 mL/g VS,達(dá)到了理論產(chǎn)值的56-58%。穩(wěn)定階段,干物質(zhì)降解率在79.86%-88.81%之間變動。秸稈水解菌主要屬于Clostridiales;發(fā)酵產(chǎn)酸菌主要來自毛螺菌科(Lachnospiraceae)及擬桿菌目(Bacteroidales);產(chǎn)乙酸菌主要來自螺旋體科(Spirochaetaceae)和Clostridiales;互營氧化菌包括了互養(yǎng)菌門(Synergistete)菌屬,丙酸氧化菌(Syntrophobacter和Pelotomaculum),丁酸氧化菌(Syntrophus和Syntrophomonas)�？偧淄榫�,嗜氫型甲烷桿菌目(Methanobacteriales)和嗜乙酸型球菌目(Methanosarcinales)數(shù)量升高,分別達(dá)到了6.20×108拷貝數(shù)/m L,3.30×108拷貝數(shù)/mL,1.75×10~7拷貝數(shù)/m L。當(dāng)OLR升高到6g/(L·d)時,溶解性有機(jī)物(DOM)濃度升高到13.67 g/L。失穩(wěn)階段沼渣中Zn和Fe可利用態(tài)濃度顯著下降(p0.05),分別為4.39 mg/kg,5.54 mg/kg。Cu和Ni的可利用態(tài)濃度分別下降為0.40 mg/kg,1.33 mg/kg。Mo的可利用態(tài)濃度為0.98 mg/kg。體系總甲烷菌和Methanobacteriales數(shù)量分別為8.56×105拷貝數(shù)/mL,4.14×103拷貝數(shù)/mL,含量顯著下降(p0.05),產(chǎn)甲烷活性降低。菌群結(jié)構(gòu)多樣性降低,秸稈水解菌和互營氧化菌含量下降;而發(fā)酵產(chǎn)酸菌Bacteroidales含量顯著升高(p0.05)。丁酸積累,乙酸和丙酸濃度分別達(dá)到了2.02 g/L和6.54 g/L,系統(tǒng)出現(xiàn)“酸敗”現(xiàn)象�？疾炝伺螚l件下高含固率和物種比(F/I)對稻秸厭氧消化特性的影響,結(jié)果表明甲烷產(chǎn)率隨著含固率的升高呈下降趨勢。當(dāng)含固率為20%,F/I為2和6時,產(chǎn)甲烷遲滯期(λ)分別為6.24 d和9.16 d。PARAFAC模型確定熒光組分?jǐn)?shù)為2,其中輔酶F420與甲烷產(chǎn)率顯著性相關(guān)(p0.01),可以用來表征產(chǎn)甲烷活性。在高固態(tài)半連續(xù)消化中,容積產(chǎn)氣率最高達(dá)到了1.04 L/(L·d)。當(dāng)OLR為2.26 g/(L·d)時,甲烷含量穩(wěn)定在54.39%左右,甲烷產(chǎn)率均值為280.90 m L/g VS,達(dá)到了稻秸理論產(chǎn)值的80.29%。同時臥式反應(yīng)裝置中纖維素酶活性提高,有利于纖維素的降解。PARAFAC模型確定熒光組分?jǐn)?shù)為3,其中輔酶F420和NADH熒光強(qiáng)度分別反映了產(chǎn)甲烷活性和厭氧消化效率的變化。當(dāng)OLR升高到2.47 g/(L·d)時,氨氮濃度均值達(dá)到了1082.63 mg/L。嗜氫型Methanobacteriales數(shù)量下降到1.04×10~6拷貝數(shù)/g TS,嗜乙酸型Methanosarcinales數(shù)量增加到9.44×10~6拷貝數(shù)/g TS,產(chǎn)甲烷途徑發(fā)生了適應(yīng)性變化。輔酶F420表征的產(chǎn)甲烷活性降低,反應(yīng)裝置中丙酸開始出現(xiàn)積累。
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X712

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6 王，

本文編號：1276073