温度降低对产甲烷效能的影响及培养条件优化

论文摘要

沼气是在厌氧的条件下通过微生物作用产生的可燃性混合气体,是一种可再生的生物质能源,其主要成分是甲烷。产甲烷菌是产沼气过程中微生物的核心,也是自然界碳素循环厌氧发酵的最后一个组成成员。产甲烷菌群的优劣是影响底物转化效率和产甲烷效能的决定因素,获得高效稳定的产甲烷优势菌群是十分必要并且是十分有意义的。温度对于产甲烷过程非常重要,温度降低会使产甲烷菌群生长受到抑制,累计产甲烷量相应减少。本研究通过传代培养的方式在25℃条件下从五种菌源中富集得到产甲烷优势菌群,并对影响其产甲烷的主要条件进行优化,以期获得更高的产甲烷能力。这五种菌源通过传代培养,啤酒厂厌氧塔污泥累计产甲烷量最大,为2.467L/L。结合DGGE技术来分析产甲烷菌群富集过程中的群落变化,结果表明,产甲烷菌群结构35℃比25℃要丰富许多,35℃啤酒厂厌氧塔污泥的菌群结构最为丰富,在25℃条件下5中菌源的优势菌群为Methanogenium属。以啤酒厂厌氧塔污泥为研究对象,分别探讨了温度降低对其产甲烷效能的影响以及为提高其产甲烷效能的一些改进措施。结果表明,在25℃条件下,累计产甲烷量相比于35℃降低了25.2%,生物量降低了5.2%,比产甲烷速率由35℃时的21.46mmol/d g-dcw降为16.93mmol CH4/d g-dcw,甲烷含量由35℃时的63.5%降为59.4%。在考察提高产甲烷效能的改进措施过程中发现,产甲烷菌群的最佳生长pH为6.8,最佳产甲烷pH为7.0,此时累计产甲烷量为2.83L/L,相比于原来的累计产甲烷量提高了14.6%。10%接种量的累计产甲烷量最大,为2.79L/L,相比于原来的累计产甲烷量提高了13.4%。高的或低的接种量由于要消耗大量底物,使得产甲烷量较少。不同底物浓度对产甲烷菌群的产甲烷过程有不同程度的影响,底物浓度不同使得其底物利用率有所不同,产甲烷量相应也有一些差异。30%甲酸钠浓度的累计产甲烷量最大,为2.75L/L,相比于原累计产甲烷量提高了12.2%, 3mol/L乙酸钠浓度的累计产甲烷量最大,为2.84L/L,相比于原累计产甲烷量提高了15.9%, 50%甲醇浓度的累计产甲烷量最大,为2.44L/L,相比于原累计产甲烷量没有明显提高。适宜浓度的微量元素对产甲烷菌群有一定的促进作用,0.15g/L的氯化钴、0.03g/L的氯化镍和0.2g/L的硫酸亚铁对产甲烷作用都有一定的促进作用,其累计产甲烷量相比于原来培养条件分别提高了6.91%、3.25%和10.2%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 产甲烷菌的概述
• 1.2 产甲烷菌的分类依据
• 1.2.1 依据形态学特性分类
• 1.2.2 依据生理生化特性分类
• 1.2.3 依据分子生物学技术的系统分类
• 1.3 产甲烷菌生物学特性
• 1.3.1 对氧气的敏感特性
• 1.3.2 产甲烷菌可利用的主要底物及营养需求
• 1.3.3 产甲烷菌辅酶的独特性
• 1.3.4 产甲烷菌一些其他生物学特性
• 1.4 产甲烷菌的影响因素
• 1.4.1 温度对产甲烷菌的影响
• 1.4.2 氧化还原电位对产甲烷菌的影响
• 1.4.3 pH 对产甲烷菌的影响
• 1.4.4 硫化物对产甲烷菌的影响
• 1.4.5 微量营养元素对产甲烷菌的影响
• 1.5 低温产甲烷菌的研究现状
• 1.5.1 低温产甲烷菌嗜冷机理
• 1.5.2 国外低温产甲烷菌研究现状
• 1.5.3 国内低温产甲烷菌研究现状
• 1.6 PCR-DGGE 技术应用于产甲烷菌研究
• 1.7 本论文的研究意义及主要内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 菌种来源
• 2.1.2 实验装置
• 2.1.3 培养基配方
• 2.1.4 主要仪器和设备
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 产甲烷菌菌群的传代培养方法
• 2.2.2 间歇产甲烷实验方法
• 2.2.3 分析方法
• 2.2.4 DGGE 分析
• 第3章 温度降低对产甲烷效能的影响
• 3.1 温度降低条件下产甲烷菌群的富集
• 3.2 利用DGGE 技术监测产甲烷优势菌群的动态变化
• 3.3 产甲烷菌群在25℃条件下的生长与产甲烷的关系
• 3.4 温度降低对产甲烷效能的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 低温条件下产甲烷条件的优化
• 4.1 pH 值
• 4.2 接种量
• 4.3 底物浓度
• 4.3.1 甲酸钠浓度
• 4.3.2 乙酸钠浓度
• 4.3.3 甲醇浓度
• 4.4 微量元素浓度
• 4.4.1 氯化钴浓度
• 4.4.2 氯化镍浓度
• 4.4.3 硫酸亚铁浓度
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢