【摘要】：同型產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合成細胞物質并產生乙酸,也能夠發(fā)酵有機物產乙酸獲得生長。這類微生物廣泛分布于自然界和人工構建的厭氧生物處理系統(tǒng)中,其菌種資源與應用技術,在廢棄生物質資源化、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,基于同型產乙酸培養(yǎng)的應用技術研究尚處起步階段,適宜的菌種資源匱乏,代謝機制研究亦不夠深入,應用技術研究成果更加有限。篩選具有應用前景的同型產乙酸菌種,并對其生理生態(tài)特性、生長代謝特征,以及可能的應用途徑和潛力等進行深入研究,可為相關應用技術的研發(fā)提供理論依據(jù)和指導。為開發(fā)同型產乙酸菌菌種資源,分別以厭氧折流板反應器的產酸相污泥和產甲烷相污泥,以及連續(xù)流攪拌槽式反應器(CSTR)的甲烷發(fā)酵混合污泥為出發(fā)菌群,在特異性基質H_2/CO_2(v:v,4:1)和產甲烷菌抑制劑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,其同型產乙酸代謝能力最強,同化H_2/CO_2的產乙酸能力可達54.79 mmol/gMLVSS,其優(yōu)勢菌群中的Acetobacterium和Blautia均是同型產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乙酸菌,細胞球形或卵形,直徑0.2~0.5μm,有莢膜,不產芽孢,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為唯一碳源進行自養(yǎng)生長,也可利用單糖營異養(yǎng)生長,主要代謝產物均為乙酸。多項分類學鑒定表明,該菌株在分類學上隸屬Blautia coccoides,將其命名為B.coccoides GA-1。以H_2/CO_2作為唯一碳源,同型產乙酸菌B.coccoides GA-1可獲得5.32 g/g-干細胞的比乙酸產率,但在混合營養(yǎng)條件下,其同型產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;細胞合成與CO_2同化作用對ATP的競爭作用;異養(yǎng)代謝產酸作用導致的低pH,影響了胞內的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產乙酸的能力維持在2.16 g/g-干細胞的水平。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模型更能準確地描述菌株GA-1的自養(yǎng)代謝過程。擬合結果表明,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、最大基質轉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)。應用可行性研究與分析表明,B.coccoides GA-1在木質纖維素類生物質、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。針對木質纖維素類生物質、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)酵產乙酸的可能性和技術實現(xiàn)的可能途徑,并對技術的發(fā)展前景進行了預測,為后續(xù)開發(fā)同型產乙酸菌種質資源利用技術提供了思路和參考。
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【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X703;X172
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本文編號：2421364