中温木糖发酵产氢菌的分离及其产氢特性研究

论文摘要

底物已经成为限制生物制氢发展的重要因素,采用廉价的底物无疑会降低制氢成本,从而促使该技术能够得到更好的推广。半纤维素广泛存在于纤维素类生物质中,如果能将其用于发酵产氢,则纤维质就能够更加充分的被利用。禾本科植物的半纤维素主要是木聚糖类,在酶或者酸的作用下水解,可得到木糖含量较高的水解液。本研究立足于利用半纤维素水解产物——木糖发酵产氢,筛选高效木糖降解产氢菌,对其产氢特性进行研究,优化发酵产氢的条件,以期获得更高的产氢能力。本试验从牛粪堆肥中成功筛选出了7株中温发酵木糖产氢菌,通过对这7株菌进行优选,发现菌株HR-1的产氢能力最强,单位体积产氢量（YH2）为1311mL/L-培养基。HR-1为单胞生长的规则杆状菌,革兰氏阳性,无荚膜、无鞭毛、表面光滑、无明显凸起,专性厌氧。HR-1可在1041℃,pH4.012.0条件下生长;37℃和pH8.0分别为最适生长条件;发酵葡萄糖的主要产物有H2、CO2、乙酸、丁酸,未检测到琥珀酸和丁二醇;可利用多种碳源生长;其耐盐性为02%;HR-1可以利用磷酸氢二铵和硝酸盐生长,有机氮不是其必需的氮源。通过16S rRNA鉴定,表明与丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum 824）的相似性最高,为96%,初步认为该菌是梭菌属的一个新种,命名为Clostridium sp. HR-1。通过间歇培养试验,考察了初始pH、不同氮源、碳源浓度、不同碳源对HR-1利用木糖发酵产氢的影响。结果表明:该菌株的最佳生长初始pH为8.0,最佳产氢初始pH为6.5;它可以利用NH4Cl、酵母浸粉、尿素作为氮源进行发酵产氢,其中酵母浸粉效果最好;HR-1利用木糖发酵产氢的最适浓度为20g/L;HR-1不能利用阿拉伯糖发酵产氢,但可以利用半乳糖、纤维二糖、葡萄糖、甘露糖、葡聚糖发酵产氢,因此推断该菌株可以很好的利用半纤维素的水解液发酵产氢。比较了中温产氢菌HR-1利用五碳糖、六碳糖及二者等比例混合糖发酵产氢的特性,发现HR-1更容易利用六碳糖合成细胞及发酵产氢。该菌株在37℃时发酵木糖产氢的比产氢率为2.12mol H2/mol-木糖,发酵葡萄糖时的比产氢率为2.31mol H2/mol-葡萄糖,混合糖的比产氢率为2.0 mol H2/mol-混合糖,混合糖降低了菌株HR-1的产氢能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概论
• 1.2 发酵法生物制氢技术面临的问题
• 1.2.1 发酵产氢菌种的产氢能力
• 1.2.2 发酵产氢细菌的底物利用
• 1.2.3 大型发酵产氢反应器的设计
• 1.2.4 发酵产氢理论的不完善
• 1.3 产氢微生物
• 1.3.1 光合产氢微生物及其产氢能力
• 1.3.2 发酵产氢微生物及其产氢能力
• 1.4 产氢底物研究现状
• 1.4.1 单纯的糖类用于生物制氢
• 1.4.2 淀粉用于发酵产氢
• 1.4.3 有机废水用于生物制氢
• 1.4.4 有机固体废弃物用于生物制氢
• 1.4.5 纤维质用于发酵产氢的研究
• 1.5 本课题的来源
• 1.6 本课题的目的、意义和内容
• 1.6.1 本课题的目的、意义
• 1.6.2 本课题的研究内容
• 第2章 试验材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 菌种分离样品
• 2.1.2 试验装置
• 2.1.3 试验所用培养基
• 2.1.4 间歇试验
• 2.1.5 主要仪器、设备和药品
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 细菌的分离和纯化
• 2.2.2 产氢菌的筛选
• 2.2.3 产氢菌的优选
• 2.2.4 产氢菌的形态、生理生化鉴定
• 2.2.5 产氢菌的分子生物学鉴定
• 2.2.6 细菌的菌浊和干重的测定
• 2.2.7 细菌产气量的测定
• 2.2.8 发酵末端产物的测定
• 2.2.9 发酵pH的测定
• 2.2.10 还原糖的测定方法
• 2.3 产氢指标的计算公式
• 第3章 中温发酵木糖产氢菌的分离筛选及特性
• 3.1 中温发酵木糖产氢菌的筛选
• 3.2 菌株HR-1 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 HR-1 的生长特性
• 3.2.4 HR-1 的生长曲线
• 3.3 菌株HR-1 的分子生物学鉴定
• 3.3.1 细菌DNA的提取及165 rRNA基因的获得
• 3.3.2 转化子鉴定及克隆测序
• 3.3.3 基于165 rRNA 的系统发育分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 菌株HR-1 利用木糖发酵产氢的影响因素
• 4.1 PH对菌株HR-1 发酵木糖产氢的影响
• 4.2 氮源对菌株HR-1 利用木糖发酵产氢的影响
• 4.3 木糖浓度对菌株HR-1 发酵产氢的影响
• 4.4 菌株HR-1 利用不同的碳源发酵产氢的能力
• 4.5 本章小结
• 第5章 菌株HR-1 发酵戊糖、己糖、混合糖的产氢能力及潜力
• 5.1 HR-1 发酵戊糖、己糖及混合糖产氢时的碳源浓度变化
• 5.2 HR-1 发酵戊糖、己糖及混合糖产氢时的菌量
• 5.3 HR-1 发酵戊糖、己糖及混合糖产氢时的产氢能力
• 5.4 菌株HR-1 发酵戊糖、己糖产氢的产氢潜力
• 5.5 菌株HR-1 与其他发酵细菌的产氢能力比较
• 5.6 本章小结
• 结论与建议
• 结论
• 建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢