基于DGGE技术的混合糖发酵产氢菌的分离及特性研究

论文摘要

厌氧发酵生物制氢工艺是一种新型的、低能耗的、清洁的废弃物资源化处置方式。它不仅能够生产清洁能源氢气,还可以利用有机废物这种用之不竭的可再生资源,有利于环境保护与社会的持续发展。目前,限制生物制氢技术发展的主要因素之一就是底物利用率较低且成本过高。木质纤维素类生物质在自然界中存在十分广泛,而其中有89%尚未被利用或合理利用,这类物质经预处理后释放的糖类中主要含有葡萄糖和木糖2种成分,因此若能同时利用这两种糖类进行发酵产氢,不仅可以避免资源的浪费更对能源危机的缓解具有重要的意义。本研究立足于利用木糖-葡萄糖混合糖发酵产氢,结合DGGE技术筛选发酵木糖-葡萄糖混合糖产氢的优势菌群,并从中分离出高效产氢菌种,进而对影响其产氢的主要条件进行优化,以期获得更高的产氢能力。本研究分别在控制pH与不控制pH两种情况下,通过传代培养的方式从瘤胃液中富集得到产氢优势菌群,控制pH值时产氢菌群的产氢量比不控制时高,分别为2.23molH2/mol葡萄糖,1.95molH2/mol木糖,2.11molH2/mol混合糖。结合DGGE技术分析富集过程中产氢菌群的群落动态变化,结果表明在控制pH值的体系内菌群结构比不控制pH的体系更丰富一些。混合糖底物最终形成的优势菌群的组成主要是Clostridium和Citrobacter属。以从富集得到的产氢优势菌群中分离出的一株高效产氢菌Clostridium butyricum T4为研究对象,分别探讨了初始pH值和混合糖中木糖与葡萄糖的质量比对菌株T4的生长及产氢过程的影响。结果表明T4利用木糖-葡萄糖混合糖产氢的最佳生长初始pH值为8.0,最佳产氢初始pH值为7.0,最大氢气产量为2.21molH2/mol混合糖。考察木糖与葡萄糖的比例对T4生长及产氢过程的影响时发现,当木糖与葡萄糖的质量比为3:1时“葡萄糖效应”不明显,此时混合底物中各糖的利用率均最大,木糖、葡萄糖与总糖的利用率分别为83.7%,99.44%和97.6%。菌株在木糖与葡萄糖质量比为1:2的体系中累积产氢量和氢气含量均最大,分别为1200ml/L和52.6%。通过向体系中额外添加乙酸钠和丁酸钠,考察主要液相末端产物对T4发酵木糖-葡萄糖混合糖产氢过程的影响,结果发现累积产氢量、发酵末端pH以及总糖的利用率均比对照组高,且都随外加乙酸钠浓度的增加而升高。累积产氢量最大为1950ml/L培养基;乙酸钠为20g/L时体系的末端pH最高为5.91。而在添加丁酸钠的体系中,累积产氢量最大可达到1800ml/L培养基,此后随丁酸钠质量浓度的增加而降低,外加丁酸钠对体系的缓冲能力高一些,丁酸钠浓度为20g/L时末端pH值最大可达6.1。在氢气产量方面,外加乙酸钠和丁酸钠时的氢气产量均比对照组降低了。研究还发现额外添加乙酸钠和丁酸钠对于发酵末端产物的影响不同,添加乙酸钠时,乙酸和丁酸的产量随乙酸钠加入量的增加而升高;外加丁酸钠时,乙酸产量并没有受到抑制而丁酸的产量明显降低了。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的意义
• 1.2 发酵法生物制氢技术
• 1.2.1 发酵产氢菌种的分离和筛选
• 1.2.2 发酵法生物制氢技术底物研究现状
• 1.2.3 影响发酵法生物制氢的生态因子研究现状
• 1.3 利用木质纤维素类生物质发酵产氢
• 1.4 DGGE技术在产氢发酵中的应用
• 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 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 实验所用培养基
• 2.1.4 主要仪器和设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 牛瘤胃液中产氢菌群的传代培养方法
• 2.2.2 发酵木糖-葡萄糖混合糖产氢菌的筛选
• 2.2.3 间歇发酵实验方法
• 2.2.4 细菌的浊度和细胞干重的测定方法
• 2.2.5 发酵产物的分析方法
• 2.2.6 发酵体系中pH的测定
• 2.2.7 发酵体系中糖的测定方法
• 2.2.8 产氢指标的计算方法
• 2.2.9 瘤胃液内产氢菌群传代培养过程中的DGGE分析
• 第3章 利用木糖-葡萄糖复合基质产氢菌群的筛选
• 3.1 利用木糖-葡萄糖复合基质产氢菌群的筛选
• 3.1.1 不控制发酵体系pH值时的筛选结果
• 3.1.2 控制发酵体系pH值时的筛选结果
• 3.2 利用DGGE技术监测产氢优势菌群的筛选过程
• 3.2.1 传代培养初期产氢菌群的DGGE图谱
• 3.2.2 传代培养最终形成的产氢优势菌群的DGGE图谱
• 3.3 本章小结
• 第4章 影响混合糖发酵产氢的关键因子研究
• 4.1 pH值
• 4.1.1 pH值对发酵细菌产氢能力的影响机制
• 4.1.2 初始pH值对混合糖发酵产氢的影响
• 4.2 混合糖中木不糖与葡萄糖的比例
• 4.2.1 糖浓度的变化
• 4.2.2 细菌的生长情况
• 4.2.3 累积产氢量和氢气含量的变化
• 4.3 本章小结
• 第5章 液相末端产物对混合糖发酵产氢的影响
• 5.1 外加不同浓度的乙酸钠对菌株T4 产氢能力的影响
• 5.2 外加不同浓度的丁酸钠对菌株T4 产氢能力的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢