水生植物的瘤胃微生物转化

论文摘要

水生植物被广泛用于富营养化严重的湖泊、河流等水体的修复,但其生长迅速且难以控制,如处理不当容易造成水体的二次污染。另一方面,利用厌氧生物技术能够将水生植物作为一种可再生的生物质实现转化,不仅避免了二次污染问题,还可以提供氢气、有机酸和甲烷等产品,具有较好的环境和经济效益。本论文在全面的实验研究和深入的理论分析基础上,解析了水生植物的瘤胃微生物厌氧降解过程,并对其降解和预处理工艺学进行了优化。主要研究内容和结果如下:1、利用红外光谱、X射线光电子能谱和凝胶色谱研究了水生植物(以美人蕉为例)的降解过程。研究结果表明,水解过程是决定降解效率的限速步骤;利用红外光谱能够定性和半定量地表征美人蕉组分纤维素、半纤维素和木质素的降解过程;美人蕉表面的主要成分木质素的分解主要发生在厌氧转化过程的初期。2、利用序批式试验,结合部分因子设计和响应曲面法,优化了影响美人蕉降解的关键生态因子和工艺条件,并探讨了不同因子之间的关系。部分因子设计和响应曲面相结合能够有效地强化美人蕉的瘤胃微生物降解过程,底物浓度和pH对水生植物的降解影响最为显著。美人蕉降解的优化条件为:pH 6.6和底物浓度8.2g VS/L,而VFA生成的优化条件为:pH 6.7和底物浓度6.9g VS/L。3、利用响应曲面法研究优化了芦苇的汽爆预处理条件,并借助于紫外光谱、X射线光电子能谱和热重分析的结果探讨了其作用机制。优化条件下得到的最大产物生成速率为0.485g COD/L/d,条件为:含水率18%,汽爆压力1.6 MPa,时间8.0 min;得到的最大产物产率0.432g COD/g,条件为:含水率20%,汽爆压力1.8 MPa,时间8.0 min。汽爆处理破坏了芦苇的致密结构,增加了原料的比表面积和吸附能力,从而提高了芦苇的生物转化效率和速率。4、研究了重金属对蒲草厌氧转化的影响。适量的重金属增加了瘤胃微生物转化蒲草的效率,特别是在Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)分别为1.6、2.4和4.0 mg/L时;高剂量的重金属浓度对瘤胃微生物中有抑制作用,尤其是产甲烷细菌耐毒性最差;三种重金属按毒性影响大小排序为:Cd(Ⅱ)＞Cu(Ⅱ)＞Cr(Ⅵ)。5、研究了表面活性剂存在时美人蕉的厌氧酸化过程。响应曲面法分析结果表明,在美人蕉和吐温80浓度分别为6.3g VS/L和2.0 ml/L时,最大有机酸产率为0.147g/g VS,吐温80对酸化产率的影响远大于底物浓度;吐温80可能通过破坏美人蕉的结构,降低木质素对水解细菌和酶的非再生性吸附,从而提高有机酸的产率。6、建立了利用近红外光谱测定水生植物木质素、干重、挥发性物质和生物降解组分的新方法。利用近红外反射光谱分析技术和偏最小二乘回归法优化了光谱范围和光谱预处理方法,建立了近红外光谱测定水生植物中木质素、干物质、挥发性物质含量以及生物降解组分的校正模型。利用10个水生植物样品对所建模型的实际预测效果进行了验证,预测值与化学值的相关系数分别为0.959、0.859、0.893和0.821。结果表明,近红外光谱技术可以快速、准确地测定水生植物组成含量,能够用于评价水生植物的生物降解性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 水生植物的特点及其在水环境治理中的应用
• 1.1.1 水体富营养化及其净化技术
• 1.1.2 水生植物的分类
• 1.1.3 水生植物的主要结构成分
• 1.1.4 水生植物在水环境治理中的应用
• 1.2 水生植物的转化利用技术进展
• 1.2.1 动物饲料制备技术
• 1.2.2 植物堆肥技术
• 1.2.3 厌氧消化处理技术
• 1.3 瘤胃微生物的组成特征及在纤维素类废弃物处理中的应用
• 1.3.1 瘤胃微生物的组成特征
• 1.3.2 瘤胃微生物在纤维素类物质厌氧转化中的应用
• 1.3.3 纤维素类物质厌氧转化中瘤胃微生物应用存在的问题
• 1.4 本研究的目的、意义及内容
• 1.4.1 本研究的目的和意义
• 1.4.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 水生植物──美人蕉厌氧转化过程中的工艺学研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 美人蕉
• 2.2.2 瘤胃微生物及缓冲盐溶液
• 2.2.3 实验条件
• 2.2.4 样品测定方法
• 2.2.5 实验设计方法
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 部分因子设计法筛选影响瘤胃微生物活性的关键因子
• 2.3.2 最陡爬坡法确定关健因子的最优范围
• 2.3.3 响应曲面法优化关键因子
• 2.3.4 回归模型的统计学分析
• 2.3.5 回归模型的验证及比较
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 水生植物──美人蕉厌氧生物转化过程的微观解析
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 实验条件
• 3.2.2 测定分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 美人蕉降解过程中的底物分解、产物生成特征
• 3.3.2 美人蕉降解过程中的红外光谱分析
• 3.3.3 美人蕉降解过程中的X射线光电子能谱分析
• 3.3.4 美人蕉降解过程溶液的凝胶色谱分析
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 水生植物──芦苇汽爆预处理工艺优化及机制分析
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 芦苇
• 4.2.2 实验设计
• 4.2.3 计算方法
• 4.2.4 实验条件
• 4.2.5 样品测定方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 汽爆芦苇和原样的产物生成过程
• 4.3.2 汽爆预处理的工艺条件优化
• 4.3.3 汽爆预处理作用于芦苇的机制分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 表面活性剂和重金属对水生植物厌氧消化的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 水生植物和瘤胃微生物
• 5.2.2 厌氧生物降解实验
• 5.2.3 实验设计
• 5.2.4 测定方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 重金属对蒲草的厌氧消化过程的影响
• 5.3.2 表面活性剂对美人蕉厌氧消化过程的影响
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 水生植物生物降解性测定新方法的建立与应用
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 仪器和样品
• 6.2.2 水生植物组分和生物降解性测定
• 6.2.3 水生植物的近红外光谱图
• 6.2.4 光谱数据采集和预处理
• 6.2.5 校正模型的建立和验证
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 水生植物组分测定模型的建立与验证
• 6.3.2 水生植物生物降解性预测模型的建立和验证
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 致谢
• 博士期间完成的论文和专利