發(fā)布時間：2019-02-13 08:34

【摘要】：同型產(chǎn)乙酸菌是一類兼具自養(yǎng)和異養(yǎng)特征的厭氧微生物,不僅可以利用CO_2合成細(xì)胞物質(zhì)并產(chǎn)生乙酸,也能夠發(fā)酵有機物產(chǎn)乙酸獲得生長。這類微生物廣泛分布于自然界和人工構(gòu)建的厭氧生物處理系統(tǒng)中,其菌種資源與應(yīng)用技術(shù),在廢棄生物質(zhì)資源化、CO_2減排與資源化以及有機廢水處理與資源化等眾多方面都有很好的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景,也可為乙酸化工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供可靠的原料來源。然而,基于同型產(chǎn)乙酸培養(yǎng)的應(yīng)用技術(shù)研究尚處起步階段,適宜的菌種資源匱乏,代謝機制研究亦不夠深入,應(yīng)用技術(shù)研究成果更加有限。篩選具有應(yīng)用前景的同型產(chǎn)乙酸菌種,并對其生理生態(tài)特性、生長代謝特征,以及可能的應(yīng)用途徑和潛力等進(jìn)行深入研究,可為相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。為開發(fā)同型產(chǎn)乙酸菌菌種資源,分別以厭氧折流板反應(yīng)器的產(chǎn)酸相污泥和產(chǎn)甲烷相污泥,以及連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)的甲烷發(fā)酵混合污泥為出發(fā)菌群,在特異性基質(zhì)H_2/CO_2(v:v,4:1)和產(chǎn)甲烷菌抑制劑2-溴乙烷磺酸鈉的選擇作用下,得到了三個同型產(chǎn)乙酸菌富集培養(yǎng)物。其中,由CSTR甲烷發(fā)酵系統(tǒng)活性污泥富集得到的培養(yǎng)物,其同型產(chǎn)乙酸代謝能力最強,同化H_2/CO_2的產(chǎn)乙酸能力可達(dá)54.79 mmol/gMLVSS,其優(yōu)勢菌群中的Acetobacterium和Blautia均是同型產(chǎn)乙酸菌大量分布的菌屬。從富集培養(yǎng)物中分離得到一株同型產(chǎn)乙酸菌,細(xì)胞球形或卵形,直徑0.2~0.5μm,有莢膜,不產(chǎn)芽孢,G+,十六和十四碳飽和脂肪酸含量分別為42.66%和21.20%,G+C含量為48.40%,可以H_2/CO_2為唯一碳源進(jìn)行自養(yǎng)生長,也可利用單糖營異養(yǎng)生長,主要代謝產(chǎn)物均為乙酸。多項分類學(xué)鑒定表明,該菌株在分類學(xué)上隸屬Blautia coccoides,將其命名為B.coccoides GA-1。以H_2/CO_2作為唯一碳源,同型產(chǎn)乙酸菌B.coccoides GA-1可獲得5.32 g/g-干細(xì)胞的比乙酸產(chǎn)率,但在混合營養(yǎng)條件下,其同型產(chǎn)乙酸作用會受到異養(yǎng)代謝的顯著抑制,同化H_2/CO_2的產(chǎn)乙酸能力大幅下降。B.coccoides GA-1自養(yǎng)代謝受異養(yǎng)代謝的抑制機理比較復(fù)雜,可能存在3種機制,即:糖酵解途徑和Wood-Ljungdahl途徑對于CoA的競爭作用;細(xì)胞合成與CO_2同化作用對ATP的競爭作用;異養(yǎng)代謝產(chǎn)酸作用導(dǎo)致的低pH,影響了胞內(nèi)的NADH/NAD+平衡。在初始pH 7.5左右、35~37℃、鹽度2.5 g/L,以及添加1 g/L酵母粉和1 g/L碳酸氫鈉條件下,B.coccoides GA-1的自養(yǎng)代謝和異養(yǎng)代謝能力都很強。菌株GA-1在完全自養(yǎng)條件下的長勢較弱,其子代的自養(yǎng)代謝能力也會衰退。在培養(yǎng)基中添加適量葡萄糖,會刺激菌株GA-1的旺盛增殖,但高濃度的葡萄糖對其自養(yǎng)代謝能力有顯著抑制作用。以H_2/CO_2(v:v,4:1)為氣相條件,用200 mg/L的葡萄糖培養(yǎng)基對菌株GA-1進(jìn)行傳代培養(yǎng),不僅可獲得穩(wěn)定的子代培養(yǎng)物,而且可以將其利用H_2/CO_2產(chǎn)乙酸的能力維持在2.16 g/g-干細(xì)胞的水平。Gompertz模型和Logistic模型都能很好地模擬B.coccoides GA-1的異養(yǎng)代謝過程,而Logistic模型更能準(zhǔn)確地描述菌株GA-1的自養(yǎng)代謝過程。擬合結(jié)果表明,在葡萄糖濃度2000 mg/L、接種量10%(v:v)、37℃和初始pH 7.3左右等條件下,B.coccoides GA-1發(fā)酵葡萄糖的最大生長速率、最大基質(zhì)降解速率和最大乙酸生成速率分別為93.24、370.26和79.11 mg/(L·h)。而以H_2/CO_2為唯一碳源時,菌株GA-1的最大生長速率、最大基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率和最大乙酸生成速率分別為4.97 mg/(L·h)、0.05 mmol/(L·h)和2.87 mg/(L·h)。應(yīng)用可行性研究與分析表明,B.coccoides GA-1在木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)、有機廢水以及燃料燃燒廢氣的處理和資源化利用方面,均有很大應(yīng)用潛力,是一種用途廣泛和頗具開發(fā)價值的菌種資源。針對木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)、生物發(fā)酵氣和燃料燃燒廢氣等廉價碳源的開發(fā),探討了它們用于B.coccoides GA-1發(fā)酵產(chǎn)乙酸的可能性和技術(shù)實現(xiàn)的可能途徑,并對技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測,為后續(xù)開發(fā)同型產(chǎn)乙酸菌種質(zhì)資源利用技術(shù)提供了思路和參考。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X703;X172
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本文編號：2421364