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产氢—产乙醇细菌群落结构与功能研究

2020-11-22阅读(215)

产氢—产乙醇细菌群落结构与功能研究

论文摘要

有机废水发酵法生物制氢技术具有能源和环保的双重功效,已经成为环境生物技术领域的研究热点之一。虽然,发酵法生物制氢技术有着广阔的应用前景,但是该技术还处于研发阶段。提高系统的产氢效率和运行稳定性,降低生产成本,仍然是生物制氢技术实现工业化进程中面临的根本问题。利用活性污泥作为菌种发酵产氢时,反应系统中的微生物群落结构对产氢效能具有决定性的影响。因此,利用现代分子生物学手段阐明微生物群落结构与产氢效能的关系,确定重要的功能菌群,建立产氢群落的快速分子检测系统,实现高效产氢群落的定向构建和优化,对实现发酵法生物制氢技术的工业化具有重要的理论意义和应用价值。目前,这些内容还没有被系统性地研究。目前所报道的产氢细菌都因不具备凝集能力,而造成大量流失,降低了系统的产氢效能。而通过载体固定化技术必然大幅度增加运行成本。所以,分离具有高效产氢并能形成颗粒生长的自凝集细菌,通过生物强化作用实现高效产氢群落结构的构建,对实现发酵法生物制氢工业化更具有现实意义和重要的应用价值。针对目前发酵法生物制氢技术工业化进程中存在的问题,进行了自凝集产氢细菌的分离和筛选,并结合DGGE、FISH、克隆文库、Real-time PCR、酶电泳等分子生物学手段,重点探讨了微生物群落结构和产氢效能的关系,深入研究了乙醇型产氢发酵的形成机制,开发了产氢细菌的快速检测方法,初步探讨了生物强化技术定向优化群落结构。论文取得了一些创新性的研究成果。（1）发现并建立了产乙醇杆菌属（Ethanoligenens）。根据系统进化关系、独特的化能异养特性、G+C（mol%）含量和生理生化特征,证实所分离的菌株YUAN-3T和菌株X-29代表了与最相近的柔嫩梭菌（Clostridium leptum）亚群现有属完全不同的一个新属。分类名为Ethanoligenens harbinense gen. nov., sp. nov.,哈尔滨产乙醇杆菌（Ethanoligenens harbinense）为模式种,菌株YUAN-3T（=JCM 12961T= CGMCC 1.5033T）为模式菌株。菌株YUAN-3T振荡培养时可形成凝集颗粒,直径一般为0.55mm,最大时可达到1.5cm,培养液澄清;最大比产氢率为2.81molH2/mol-glucose,最大产氢速率为27.6mmolH2/g-drycell·h;是目前唯一报道的自凝集产氢细菌。（2）揭示了不同产氢发酵类型微生物群落结构和演替规律。DGGE分析

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题背景
  • 1.1.1 课题来源
  • 1.1.2 研究的目的和意义
  • 1.2 氢能与生物制氢技术
  • 1.2.1 氢的制取方法
  • 1.2.2 生物制氢技术
  • 1.3 发酵产氢微生物研究现状
  • 1.3.1 发酵产氢细菌及其产氢能力
  • 1.3.2 产氢代谢途径
  • 1.3.3 氢化酶与产氢代谢调控
  • 1.4 发酵法生物制氢分子生态学研究现状
  • 1.4.1 分子生态学研究手段
  • 1.4.2 发酵法生物制氢微生物群落
  • 1.4.3 发酵法生物制氢生物强化
  • 1.5 发酵法生物制氢技术面临的问题
  • 1.5.1 高効发酵产氢菌种
  • 1.5.2 发酵产氢理论的不完善
  • 1.5.3 大型发酵产氢反应器的设计和运行调控
  • 1.5.4 产氢系统的快速检测与预测系统
  • 1.6 本文课题的主要研究内容
  • 第2章 试验材料与方法
  • 2.1 主要仪器设备
  • 2.2 试验装置
  • 2.2.1 连续流生物反应器
  • 2.2.2 间歇试验装置
  • 2.3 实验方法
  • 2.3.1 间歇和连续流产氢
  • 2.3.2 化学分析方法
  • 2.3.3 产氢细菌的分离和筛选
  • 2.3.4 细菌的形态学观察和生理生化鉴定
  • 2.3.5 细菌的分子生物学鉴定
  • 2.3.6 微生物群落动态和多样性分析
  • 2.3.7 产乙醇杆菌属特异检测
  • 2.3.8 生物信息学和统计学分析
  • 第3章 产氢细菌新属的系统进化地位及其特征
  • 3.1 产氢细菌的分离和筛选
  • 3.2 产氢细菌的生理生化鉴定
  • 3.2.1 产氢细菌的形态特征
  • 3.2.2 产氢细菌的生理生化特征
  • 3.2.3 产氢细菌的生长特性
  • 3.2.4 产氢细菌的细胞壁成分
  • 3.2.5 产氢细菌的疏水性和絮凝能力测定
  • 3.3 产氢细菌的分子生物学鉴定
  • 3.3.1 16S rRNA 与16S-23S rRNA ITS 基因扩增
  • 3.3.2 转化子鉴定及克隆测序
  • 3.3.3 16S rRNA 和16S-23S rRNA ITS 基因序列分析
  • 3.4 产氢细菌与相近种属的区分特征
  • 3.5 新属新种特征描述
  • 3.5.1 产乙醇杆菌属特征（Ethanoligenens gen. nov.）
  • 3.5.2 哈尔滨产乙醇杆菌种特征（Ethanoligenens harbinense sp. nov.）
  • 3.6 产乙醇杆菌属发现的意义
  • 3.6.1 证实了乙醇型发酵产氢理论
  • 3.6.2 为阐述氢醇共生产代谢机制提供模式菌株
  • 3.6.3 为产氢细菌的遗传改良提供优良的出发菌株
  • 3.6.4 为揭示细菌自凝集机理提供模式菌株
  • 3.6.5 促进发酵法生物制氢的工业化进程
  • 3.7 本章小结
  • 第4章 微生物群落结构对产氢效能的影响
  • 4.1 DGGE 条件优化
  • 4.1.1 不同16S rRNA 靶序列对DGGE 分析的影响
  • 4.1.2 电泳时间对DGGE 分析的影响
  • 4.2 不同产氢发酵类型的微生物群落结构
  • 4.2.1 反应器运行特性
  • 4.2.2 微生物群落动态
  • 4.2.3 微生物群落结构
  • 4.2.4 产氢产乙醇细菌分离
  • 4.2.5 乙醇脱氢酶（ADH）电泳分析
  • 4.2.6 生态位与产氢发酵类型调控
  • 4.3 本章小结
  • 第5章 乙醇型产氢发酵微生物群落结构和功能
  • 5.1 反应器运行特性
  • 5.2 基于16S rRNA 基因分析微生物群落结构
  • 5.2.1 16S rRNA 基因DGGE 分析
  • 5.2.2 16S rRNA 克隆文库
  • 5.3 基于hydA 基因分析产氢细菌
  • 5.3.1 hydA RT-PCR 扩增
  • 5.3.2 hydA cDNA 的DGGE 分析
  • 5.3.3 hydA cDNA 克隆文库分析
  • 5.4 ADH 分析产乙醇细菌
  • 5.5 乙醇型产氢发酵微生物群落的形成机制
  • 5.6 本章小结
  • 第6章 生物强化优化产氢微生物群落结构
  • 6.1 产乙醇杆菌属的快速检测
  • 6.1.1 基于16S rRNA 的产乙醇杆菌属特异检测
  • 6.1.2 基于hydA 的产乙醇杆菌属特异检测
  • 6.2 自凝集产氢细菌YUAN-3 连续流产氢
  • 6.2.1 菌株YUAN-3 的间歇培养产氢特性
  • 6.2.2 菌株YUAN-3 的连续流产氢特性
  • 6.3 自凝集产氢细菌YUAN-3 生物强化连续流产氢
  • 6.3.1 运行特性对比分析
  • 6.3.2 微生物群落结构对比分析
  • 6.3.3 投加细菌计数分析
  • 6.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文
  • 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
  • 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
  • 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
  • 致谢
  • 个人简历

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