同步代谢秸秆木糖和葡萄糖的产氢新菌种及其产氢特性

【摘要】： 发酵法生物制氢技术能够将废弃物处理和能源回收有效地结合在一起,已经成为环境微生物技术领域研究的热点。为了实现生物制氢的工业化,降低制氢成本,研究者对生物制氢技术进行了广泛的研究,主要的研究方向之一是致力于寻找合适的产氢底物,扩大基质利用范围。自然界中存在大量廉价可再生的木质纤维类生物质资源,但是由于其是纤维素、半纤维素和木质素构成的复合体,很少有微生物能够直接将其降解,通常都是先经过预处理及酶解将其水解为以五碳糖和六碳糖为主的液态水解产物,之后再加以利用。目前的生物制氢研究一般都是以单一六碳糖为主,而对于利用五碳糖生物产氢的研究一直未有突破。因此为了提高对木质纤维素中半纤维素的利用,分离具有利用木糖等五碳糖高效产氢的细菌,对有效地利用木质纤维素产氢,降低产氢成本,实现发酵法生物制氢工业化具有重要的现实意义。 基于此问题,本研究进行了同步代谢五碳糖和六碳糖中温发酵产氢菌的定向筛选。获得了能够同步代谢木糖和葡萄糖产氢的新菌种,并对其利用木糖、葡萄糖以及二者混合物的产氢特性进行了详细的研究,最后研究了产氢新菌利用秸秆产氢的潜力,分析了其实际应用价值。 发现了同步代谢五碳糖和六碳糖中温发酵产氢新菌种。根据系统进化关系及生理生化特性分析,证实所分离的菌株T2为梭菌属(Clostridium)下的一个新种。分类名为Clostridium hydrogeniproducens sp. nov. ,产氢梭菌(Clostridium hydrogeniproducens)为其模式种,菌株T2~T (=NBRC 105657~T = CCTCC AB 209026~T)为模式株。 优化了产氢菌株T2产氢的条件,获得了其利用五碳糖木糖和六碳糖葡萄糖的平均比产氢量分别为2.32 mol-H_2/mol-xylose和2.76 mol-H_2/mol-glucose,平均比产氢速率分别为10.07 mmol-H_2/g-cdw/h和9.47 mmol-H_2/g-cdw/h,其产氢能力居于现有产氢菌的前列。 揭示了产氢菌株T2分别利用五碳糖和六碳糖产氢的特性,初步预测了其代谢木糖的产氢途径。用Logistic方程和修正的Gompertz模型描述产氢菌的生长过程;选用修正的Gompertz模型来描述产氢菌产氢的过程;成功的获得了相应过程的动力学参数。构建了描述产氢菌株T2对数生长期特性的潜在生长速率方程和同步性产氢指数方程,解决了用于描述产氢菌株T2在五碳糖和六碳糖基质中的对数期潜在生长速率及生长与产氢的同步性问题。初步推测出产氢菌株T2是通过木糖异构酶直接将木糖转化为木酮糖而后进入磷酸戊糖途径加以利用。 分别采用批式、连续和补料分批发酵的方式,研究了产氢菌株T2利用木糖和葡萄糖二者混合基质的产氢规律。证实了产氢菌株T2能够有效的同步代谢木糖和葡萄糖产氢的特性,同时发现了补料分批发酵是产氢菌株T2同步代谢五、六碳混合糖产氢的较优工艺。 通过基质浓度扩大法对产氢菌株T2利用酸化汽爆液中木糖和葡萄糖的产氢进行研究,获得其最大比产氢量为分别为1.37 mol-H_2/mol-xylose和2.17 mol-H_2/mol-glucose,分别为其正常条件下的60%和79%,表明其具有很强的适应和抗逆能力。同时采用分步酶解发酵和同步酶解发酵法,对产氢菌株T2利用处理秸秆发酵产氢能力进行研究,分别得到其最大比产氢量71 ml/g-秸秆和110 ml/g-秸秆,这是就目前来说纯菌利用秸秆所能获得的最高产氢量,这充分显示了产氢菌株T2能够利用天然生物质中五碳糖和六碳糖高效产氢的性能。 【关键词】：生物制氢 木糖 葡萄糖 新菌种 同步代谢 秸秆
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X712
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 第1章 绪论17-40
• 1.1 课题背景17
• 1.2 生物制氢研究现状17-28
• 1.2.1 生物制氢的方法18-20
• 1.2.2 厌氧发酵产氢机理20-23
• 1.2.3 厌氧产氢发酵类型及群落分析23-25
• 1.2.4 厌氧发酵产氢微生物25-28
• 1.3 秸秆类木质纤维素生物质产氢28-38
• 1.3.1 秸秆类木质纤维素的结构及水解产物28-29
• 1.3.2 秸秆类木质纤维素的预处理29-31
• 1.3.3 纤维素的水解31-34
• 1.3.4 秸秆类木质纤维素的厌氧发酵产氢方法34-35
• 1.3.5 木糖等五碳糖发酵产氢的研究35-36
• 1.3.6 预处理秸秆类生物质分步糖化发酵产氢36
• 1.3.7 预处理秸秆类生物质同步糖化发酵产氢36-37
• 1.3.8 预处理秸秆类生物质一步发酵产氢37-38
• 1.4 研究内容目的及意义38-40
• 1.4.1 课题来源38
• 1.4.2 研究目的和意义38-39
• 1.4.3 研究内容39-40
• 第2章 试验材料与方法40-56
• 2.1 试验材料40-42
• 2.1.1 菌源及基质40
• 2.1.2 发酵产氢装置40-41
• 2.1.3 主要仪器和设备41
• 2.1.4 基本培养基质41-42
• 2.2 试验方法42-56
• 2.2.1 厌氧发酵产氢细菌的分离42-43
• 2.2.2 富集产氢菌群落结构分析43-45
• 2.2.3 细菌形态观察45-46
• 2.2.4 细菌的培养及生理生化检测46
• 2.2.5 细菌的16S rRNA 基因分析46-47
• 2.2.6 细菌脂肪酸的测定47-48
• 2.2.7 发酵产物分析48-51
• 2.2.8 酶活性测定51-52
• 2.2.9 蛋白质含量的测定52-53
• 2.2.10 产氢动力学研究53-54
• 2.2.11 秸秆水解方法54
• 2.2.12 氢气计算及表示方法54-56
• 第3章 同步代谢五碳糖和六碳糖的中温产氢新菌种的多相分类56-80
• 3.1 引言56-57
• 3.2 同时发酵五碳糖和六碳糖产氢菌群的富集57-63
• 3.2.1 样品的预处理57
• 3.2.2 富集培养条件57
• 3.2.3 富集培养方法57-58
• 3.2.4 产氢菌群的产氢特点及群落结构58-63
• 3.3 产氢新菌种的分离及多相分类63-79
• 3.3.1 产氢菌的分离63-64
• 3.3.2 菌株 T2 产氢氮源及碳源分析64-66
• 3.3.3 菌株 T2 的形态特征66-67
• 3.3.4 菌株 T2 的理化特征67-69
• 3.3.5 菌株 T2 细胞脂肪酸特征69-71
• 3.3.6 菌株 T2 的 16S rRNA 基因分析71-73
• 3.3.7 菌株 T2 的产氢特性73-78
• 3.3.8 产氢梭菌新种特征描述78-79
• 3.4 本章小结79-80
• 第4章 菌株 T2 利用五碳糖和六碳糖生长产氢动力学及基质代谢途径分析80-94
• 4.1 引言80-81
• 4.2 产氢菌株 T2 利用木糖和葡萄糖生长动力学81-86
• 4.2.1 利用葡萄糖生长的动力学参数81-82
• 4.2.2 利用木糖生长的动力学参数82-83
• 4.2.3 产氢菌株 T2 在葡萄糖及木糖中的生长差异83-84
• 4.2.4 产氢菌株 T2 在葡萄糖及木糖中对数生长期的特性84-86
• 4.3 产氢菌株 T2 发酵木糖和葡萄糖产氢动力学86-89
• 4.3.1 菌株 T2 产氢过程拟合86-87
• 4.3.2 菌株 T2 利用木糖和葡萄糖的产氢量及产氢速率87-88
• 4.3.3 菌株 T2 利用木糖和葡萄糖的产氢效率88-89
• 4.3.4 菌株 T2 的生长与产氢同步性研究89
• 4.4 产氢菌株 T2 对木糖和葡萄糖的利用89-93
• 4.4.1 菌株 T2 对木糖的利用89-91
• 4.4.2 菌株 T2 对葡萄糖的利用91
• 4.4.3 菌株 T2 对葡萄糖和木糖的消耗速率的比较91-92
• 4.4.4 菌株 T2 利用木糖可能途径推测92-93
• 4.5 本章小结93-94
• 第5章 产氢菌株 T2 同步代谢五碳糖和六碳糖发酵产氢的特性94-113
• 5.1 引言94-95
• 5.2 菌株 T2 批式发酵产氢特性95-98
• 5.2.1 菌株 T2 的生长特点95-96
• 5.2.2 菌株 T2 对基质的消耗规律96-97
• 5.2.3 菌株 T2 的产氢特点97-98
• 5.3 菌株 T2 连续发酵产氢特性98-108
• 5.3.1 菌株 T2 在稀释率0.25 h-1 时的发酵产氢99-101
• 5.3.2 菌株 T2 在稀释率0.125 h-1 时的发酵产氢101-105
• 5.3.3 菌株 T2 在稀释率0.1 h-1 时的发酵产氢105-106
• 5.3.4 不同稀释率下产氢菌株 T2 的代谢特点106-108
• 5.4 菌株 T2 补料分批发酵产氢特性108-111
• 5.4.1 菌株 T2 的生长特点108-109
• 5.4.2 菌株 T2 对基质的消耗规律109-110
• 5.4.3 菌株 T2 的产氢特点110-111
• 5.5 本章小结111-113
• 第6章 产氢菌株 T2 利用玉米秸秆水解液中木糖和葡萄糖的产氢特性113-134
• 6.1 引言113-114
• 6.2 玉米秸秆的组成及预处理114-121
• 6.2.1 玉米秸秆不同部分的比例114-115
• 6.2.2 玉米秸秆各部分的组成成分115-117
• 6.2.3 玉米秸秆的预处理117-119
• 6.2.4 预处理秸秆的酶解119-121
• 6.3 产氢菌株 T2 利用秸秆水解液的产氢能力121-132
• 6.3.1 秸秆预处理122
• 6.3.2 预处理液发酵产氢122-125
• 6.3.3 预处理过滤固体物发酵产氢125-126
• 6.3.4 分步糖化发酵产氢及其动力学分析126-128
• 6.3.5 同步糖化发酵产氢及其动力学分析128-132
• 6.4 本章小结132-134
• 结论134-136
• 参考文献136-152
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果152-154
• 致谢154-155
• 个人简历155

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