城市有机垃圾厌氧干发酵菌群与代谢产物特性研究北大核心

文章以城市有机垃圾为原料,采用一次投料批式中温(37℃)厌氧发酵工艺,分析了厌氧干发酵过程中主要菌群,包括厌氧产酸菌、厌氧氨化菌、产甲烷菌和厌氧纤维素降解菌的数量变化及代谢产物的特性。结果表明:厌氧菌中产酸菌和氨化菌最先增殖,产酸菌先于氨化菌达到最大值并占据优势地位。产甲烷菌在启动阶段初期基本没有增殖,第25 d左右达到最大值3.25×10~9个·m L^(-1),随后产甲烷菌在整个盛产期数量维持在这一数量级上。厌氧纤维素降解菌菌数呈现缓慢增长的趋势,直到投料的第45 d才增加到10~6个·m L^(-1)。了解发酵过程中菌群间的作用及代谢产物的特性,协调各微生物的稳定生长,是保证沼气发酵正常运行的必要条件,本试验为城市有机垃圾的无害化处理和资源化利用奠定基础。     

纤维素降解菌在高温厌氧消化过程中的作用

前期研究表明梭菌属的新株JC3（Clostridiumsp.Strain JC3）是嗜热产甲烷污泥中的主要纤维素降解菌。本项目采用分子生物学技术定量研究了菌株JC3在高温厌氧消化过程中的作用。在含三个小室（室1,室2,室3）的厌氧折流板反应器（9.5 L）中进行纤维素降解实验,试验温度设为55℃。当负荷为2.5 kg COD.m-3d-1,HRT为2天时,80%以上的COD进料都转化为甲烷。采用专门针对菌株JC3的特异性荧光针来研究折流式反应器中污泥样品。结果表明JC3细胞对DAPI染色细胞的比例从低于0.5%（最低检测极限）增加到9.4%（室1）,13.1%（室2）和21.6%（室3）。这表明由荧光原位杂交技术确定的菌株JC3细胞数与滞留污泥的纤维素降解产甲烷活性密切相关。设计了一个针对菌株JC3纤维素酶基因（纤维二糖水解酶A cbh A）的特异探针,并应用到处理固体废弃物如咖啡渣、废纸、垃圾和纤维素等消化污泥中,采用定量PCR技术发现菌株JC3细胞数与高温消化器中污泥的纤维素降解能力密切相关。因此,在高温厌氧消化过程中,菌株JC3对厌氧水解纤维素是非常重要的。     

中温厌氧纤维素菌的分离鉴定，系统发育学分析及其酶学性质的研究

利用厌氧分离技术从泥炭中分离到一株纤维素降解能力较强的中温厌氧细菌.分离菌株为革兰氏染色阳性,直杆或稍弯曲杆状,4.2 μm ～6.8 μm×0.8 μm ～1.0 μm,严格厌氧,不形成芽孢,能运动.分离菌株可在20℃～40℃,pH 6.0～8.5之间利用纤维素生长,最适生长温度为35℃,最适pH 6.8～7.0.分离菌株能利用滤纸、纤维素粉MN300、微晶纤维素、羧甲基纤维素等,还可以利用葡萄糖、纤维二糖、木糖、木聚糖、棉子糖、麦芽糖、山梨糖、胰蛋白胨和水杨苷作为底物.在P4-3的纤维素酶复合体中,滤纸酶,Cx酶和β-葡萄糖苷酶的最适作用温度分别为55℃,55℃和45℃,接种120 h后培养物的胞外纤维素酶液中三种酶的酶活分别为86.25 U·mg-1, 20.04 U·mg-1, 18.39 U·mg-1.部分长度的16S rDNA序列分析表明,分离菌株P4-3与Clostridium cellulolyticum的序列相似性为99%.     

厌氧分解纤维素细菌P4-3的产酶特性及其纤维小体组分的定位

中温厌氧纤维素分解菌P4-3可产生活性较高、热稳定性较强的纤维素酶.通过检测CMC酶活性,研究了培养时间、温度、培养基初始pH值、碳源和氮源对其产酶的影响.通过破壁处理,检测不同部位粗酶液中的CMC酶、滤纸酶及β-葡萄糖苷酶活性,分析了其纤维小体中三种酶组分的分布和比例.结果显示,利用滤纸和纤维二糖作为底物达到最大酶活的时间分别为144 h和72 h;产酶最佳温度为40℃,pH值为7.5,纤维二糖为最佳碳源,酵母粉为最佳氮源.培养144 h,CMC酶、滤纸酶及β-葡萄糖苷酶在上清液、未破壁菌体悬浮液与破壁菌体悬浮液中的活性比分别为9:1:1,14:4:3和6:3:4.     

纤维素生物质厌氧消化的生物预处理研究进展

纤维素生物质由于组成和结构的复杂性,纤维素燃料工艺中需通过预处理技术去除木质素,破坏交织结构。相对于物理法和化学法,生物法具有节能、成本少、污染少的优点,近年来受到了国内外研究的关注。目前纤维素生物质厌氧消化单独的生物预处理比较研究未见报道,文章综述了提取酶、单一微生物、菌群对厌氧消化产甲烷的影响,得出:提取酶预处理成本高,沼气或甲烷提高率是4%~110%;单一微生物预处理效果真菌优于细菌,沼气或甲烷提高率为10%~300%;细菌预处理研究主要集中于人工菌群,人工菌群预处理后沼气或甲烷提高率达10%~200%。该研究为纤维素生物质厌氧消化的高效性和环境友好性研究和应用提供参考。     

葡萄糖对瘤胃微生物体外降解纤维素的阻遏作用

在控制其他条件相对优化的情况下，研究了葡萄糖对瘤胃微生物体外降解纤维素的影响，发现在葡萄糖浓度达到0.30%时，即对纤维素降解产生明显的阻遏作用，降解抑制与挥发酸的积累或pH值的变化无关，同时发现0.30%葡萄糖含量会促进乙醇的生成。实验中还发现有异丁酸产生。     

富集纤维素降解菌群过程中微生物群落多样性分析

纤维素降解微生物资源的挖掘，是实现纤维素高值化利用的重要途径。为构建高效的可培养的纤维素降解体系，以羧甲基纤维素钠(CMCNa)为底物，通过长时间富集山羊瘤胃内溶物，经传代培养，初步构建了1个纤维素降解富集体系。在富集过程中选取前、中、后3个时期10个传代样品，采用高通量测序技术，剖析富集物中细菌、真菌群落结构和多样性的响应差异，揭示不同时期的微生物群落结构变化规律。前期传代样品的细菌丰富度、多样性及均匀度均优于后期传代样品。前期传代样品的真菌群落丰富度较差，但真菌群落的多样性及均匀性高于后期传代样品。分析10个样品中的细菌属水平，德沃斯氏菌属(Devosia sp.),纤维单胞菌属(Cellulomonas sp.)所占比例较高。真菌属水平曲霉属(Aspergillus sp.),古根霉属(Archaeorhizomyces sp.)所占比例较高。细菌，真菌属热图分析表明不同传代样品之间优势种群存在显著差异。以羧甲基纤维素钠为底物对山羊瘤胃内容物连续传代培养可以富集得到纤维素降解复合菌系。     

纤维降解菌系对沼气干发酵底物转化与产气的影响

该研究选育的纤维素降解茵系,在30℃酶活达到118.56 U· mL-1,水稻秸秆发酵10天的失重率可达到53.51％.试验以干牛粪与碎秸秆为底物接种该纤维素降解菌系,在TS为30％,25℃恒温条件下,发酵第15天纤维素、半纤维素降解率较对照组提高54.55％,52.83％;发酵第2天挥发性脂肪酸(VFA)为13.05 g·L-1,最终底物pH稳定在7.5左右;第7天日产气量为1440 mL,甲烷含量为66.3％.与对照组相比,处理组有效加快了干发酵中纤维类物质降解,加速VFA的生成和转化,缩短产气启动期,并且提高干发酵日产气量和甲烷含量.     

稻秸好氧厌氧两相发酵工艺与产气特性研究

木质纤维素水解困难是制约秸秆沼气生产效率提高的主要因素,针对秸秆的木质纤维素难降解问题,提出湿法好氧厌氧两相发酵工艺。在中温37℃的条件下,水解产酸发酵容器不密封,采用搅拌供气、不供气的好氧水解方式,进行两相发酵实验。结果表明,好氧厌氧两相发酵工艺能够显著破坏稻秸的木质素结构,提高木质素降解率,其搅拌供气组的木质素降解率可达4.57%,而单相厌氧发酵结束时的木质素降解率仅为0.13%,两相发酵工艺的TS产气率可达到411.19 m L/g,较单相厌氧发酵高30%左右。表明好氧厌氧两相发酵工艺可有效降解木质素并提高产气率。     

两步预处理对厌氧消化产酸纤维酶解和沼气发酵的影响

对厌氧消化产酸纤维(挥发性脂肪酸生产废渣)进行了酶解糖化和沼气发酵实验研究,探索了乙酸氨水两步预处理对木质纤维素降解、葡萄糖浓度、木糖浓度和沼气产率的影响。结果表明:乙酸氨水两步预处理进一步降解了厌氧消化产酸中的半纤维素和木质素,而且纤维素回收率较高,为77.47%~81.44%,其中4%乙酸处理和10%氨水处理实验组的纤维素质量分数达到56.82%,半纤维素质量分数仅为7.94%;在上述预处理条件下,酶解糖化效率最高,葡萄糖质量浓度达到47.46 g/L,葡萄糖得率为67.73%;同时在此乙酸氨水两步预处理条件下的沼气产率明显优于单独乙酸和单独氨水预处理,获得的最高沼气产率为414 mL/g,有效提高了厌氧消化产酸纤维的产气效率。