沼气系统生物强化及相关研究

论文摘要

虽然沼气发酵在工农业生产当中得到了广泛地应用,但是在实际发酵过程中经常存在启动慢,产气效率低等问题,因此对这些沼气系统进行生物强化有着广泛的应用价值。本研究从沼气发酵的机理分析出发,进行了与沼气发酵系统生物强化相关的研究。1.投加产氢菌:产氢菌能够增加沼气发酵体系的产氢速率,能够促进氢营养型甲烷菌的生长和代谢,从而强化沼气发酵过程。本研究中使用产氢产酸菌Clostridium sp.3-9进行沼气发酵系统的强化,结果表明产氢产酸菌Clostridium sp.3-9能够明显缩短沼气发酵的启动时间,产甲烷的时间提前了至少3天,同时加速了体系中有机酸（乙酸和丙酸）的形成与积累。通过对16SrDNA PCR-DGGE指纹图谱的主要条带进行测序,结果表明Bacteroides、Rikenella、Clostridiaceae、Desulfobulbaceae、Acholeplasma和Proteiniphilum是系统中细菌群落的主要种群。2.投加白蚁匀浆:白蚁是自然界生态系统中最重要的木质纤维素降解者之一,白蚁自身以及与其共生的肠道微生物群落中含有丰富的与木质纤维素降解与转化相关的微生物及酶系,通过白蚁匀浆可以将这些丰富的微生物和酶系应用于沼液系统强化之中。实验对台湾乳白蚁工蚁和兵蚁的头部、躯干和肠道的内切葡聚糖酶活、葡萄糖苷酶活、木聚糖酶活和滤纸酶活进行了比较,结果发现兵蚁和工蚁的各种纤维素酶活都集中在躯干和肠道部位并且工蚁高于兵蚁。兵蚁匀浆对于沼气发酵有着显著的生物强化作用,总气体和总产甲烷量分别提高了91.7%和79.2%。3.分离好氧纤维素降解菌:好氧纤维素降解菌能够促进沼气系统启动阶段厌氧条件的建立以及木质纤维素的降解,因此对于加速沼气系统产气具有重要的作用。通过沼液的静置富集培养,使用选择性培养基进行分离,分离到了一株好氧纤维素降解菌Streptomyces sp.c3001,可以作为促进沼气发酵启动的候选菌株。对其16S rRNA基因进行测序,结果表明这株菌属于链霉菌属。最后通过克隆该株菌的ERIC-PCR指纹图谱条带,找到了一段该菌株特异性序列,能够为该菌在沼气强化中的应用提供适合的分子标记。4.建立了对沼液元基因文库中内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、葡萄糖苷酶活、木聚糖酶阳性克隆进行高通量筛选的方法。这些纤维素酶阳性克隆将来能够为于沼液体系的生物强化强化提供适合的酶制剂。本研究找到两种对沼液系统进行生物强化的切实有效的方法,并为发展其它方法做好了准备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献概述
• 一、沼气发酵综述
• 1 沼气发酵原理
• 2 生物强化在沼气发酵中的应用
• 2.1 甲烷菌与非甲烷菌之间的关系
• 2.2 本文所涉及生物强化策略
• 2.2.1 产氢菌对沼气系统的生物强化
• 2.2.2 好氧菌对沼气系统的生物强化
• 2.2.3 白蚁肠道菌群对沼气系统的生物强化
• 2.2.4 水解酶对沼气系统的生物强化
• 二、分子生态学方法研究进展
• 1.1 变性梯度凝胶电泳（Denaturing Gradient Gel Electrophoresis）
• 1.2 ERIC指纹图谱技术（Enterobacterial Repetitive Intergenic-Consensus,ERIC）
• 1.3 元基因组学（Metagenomics）
• 第二章 试验部分
• 1 引言
• 2 材料和方法
• 2.1 Clostridium sp.3-9生物强化试验
• 2.2 白蚁肠道微生物对沼气发酵生物强化
• 2.3 沼液样品有氧静置富集及好氧纤维素降解菌的分离
• 2.4 沼气系统元基因组纤维素降解相关酶功能筛选
• 3 结果与讨论
• 3.1 Clostridium sp.3-9对沼气启动的生物强化
• 3.2 白蚁肠道微生物对沼气发酵生物强化的发酵产气分析
• 3.3 沼液样品好氧纤维素降解菌的分离
• 3.4 沼气系统元基因组纤维素降解相关酶功能筛选
• 4 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 附件