沼气发酵复合菌系厌氧发酵特性及微生物群落结构分析

【摘要】：厌氧发酵技术是农业有机废弃物资源化处理的有效途径。目前,利用有机废弃物厌氧消化产甲烷技术已得到部分地区应用和推广,但是关于厌氧发酵微生物的研究较少,且受温度的影响,厌氧发酵工艺的产气效能及运行稳定性还有待进一步提高。因此,本研究筛选了高效稳定的沼气发酵复合菌系,且对其培养条件进行优化,同时针对沼气发酵复合菌系的厌氧发酵特点考察其在两段式厌氧发酵过程中的产气效能及对温度变化的响应关系,并通过高通量测序技术对微生物群落结构及多样性进行分析,从而为农业有机废弃物两段式厌氧消化工艺的高效产气及稳定运行提供生物学依据。通过连续传代培养,获得一组高效产气的沼气发酵复合菌系,利用单因素和正交实验对沼气发酵复合菌系的培养条件进行优化,最终确定沼气发酵复合菌系的最优培养条件为:底物浓度(TS)为12%,C/N为27:1,p H为7.0。沼气发酵复合菌系两段式厌氧发酵产甲烷特性的研究表明,接种沼气发酵复合菌系对产酸相产气效率无显著影响,但可有效提高系统的产酸发酵速率,且复合菌系对有机物代谢分解能力受温度变化的影响,随着温度的降低,产酸相的s COD浓度和VFA浓度均逐渐下降。而接种沼气发酵复合菌系可有效提高产甲烷相的产气效能,与对照组相比,周期累积产气量提高了51.2%,达到产气稳定期的时间缩短了10d。在产甲烷相梯度降温发酵过程中,复合菌系的沼气产量、容积产气率和TS产气率均呈下降趋势,且产气量随温度的降低扰动更加剧烈。在30°C稳定运行期产气量高达3900m L/d,在25°C、23°C、20°C各温度梯度稳定运行期产气量分别降低了33.6%、47.2%和69.4%。通过Miseq高通量测序对两段式厌氧发酵系统的微生物群落结构分析表明,产酸相35°C稳定运行期和产甲烷相30°C稳定运行期微生物多样性与其他温度时期相比均相对较高。产酸相35°C、30°C和25°C稳定运行期的优势菌群为梭菌纲(Clostridia)和拟杆菌纲(Bacteroidia);20°C时的优势菌群为芽孢杆菌纲(Bacilli)和γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)。产甲烷相梯度降温发酵过程中,在30°C和25°C条件下,细菌类群相对丰度较高,但无绝对优势菌群;在23°C稳定运行期芽孢杆菌纲(Bacilli)和γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)成为优势菌群;而20°C稳定运行期优势菌群则转变为拟杆菌纲(Bacteroidia)和梭菌纲(Clostridia)。产甲烷相不同温度稳定运行期的产甲烷菌群主要为广古菌门(Euryarchaeota)和未确定分类地位的古菌,未确定分类地位和代谢功能的古菌占很大比例。由微生物群落结构与温度变化的响应关系研究可知,产酸相在中温条件下群落结构多样性较高,由Clostridium sp.、Unclassified Sybergistaceae和Unclassified Bacteroidales构成主要的功能微生物类群。产甲烷相在中温条件下由Unclassified Chloroflexi、Unclassified Anerolineaceae和Proteiniclasticumsp.构成主要的产酸发酵功能菌群,由Uncultured euryarchaeote和Uncultured archaeon构成主要的产甲烷功能菌群。但是,产甲烷相的微生物群落结构受低温扰动的影响更为突出,当温度降至20°C时微生物群落结构组成及菌种丰度均发生突出变化,因此对产甲烷相的产气效能及运行稳定性产生显著影响。 【关键词】：沼气发酵复合菌系 两段式厌氧发酵 产气效能 温度 群落结构
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.4;S182
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义11-12
• 1.1.1 课题背景11
• 1.1.2 课题研究目的和意义11-12
• 1.2 农业有机废弃物综合治理概述12-13
• 1.2.1 农作物秸秆资源化利用现状12
• 1.2.2 禽畜粪便资源化利用现状12-13
• 1.3 沼气厌氧发酵研究进展概述13-15
• 1.3.1 沼气发酵微生物研究进展13-14
• 1.3.2 沼气发酵工艺研究进展14-15
• 1.4 厌氧发酵的基本原理15-17
• 1.4.1 水解阶段16
• 1.4.2 产酸发酵阶段16
• 1.4.3 产氢产乙酸阶段16-17
• 1.4.4 产甲烷阶段17
• 1.5 影响沼气厌氧发酵的限制因子17-21
• 1.5.1 温度18-19
• 1.5.2 C/N19-20
• 1.5.3 p H20
• 1.5.4 底物浓度（TS）20
• 1.5.5 接种物20-21
• 1.5.6 水力停留时间（HRT）和有机负荷率（OLR）21
• 1.6 沼气厌氧发酵微生物分子生物学研究进展21-24
• 1.6.1 常规分子生物学研究方法22-23
• 1.6.2 基于高通量测序技术的分子生物学研究方法23-24
• 1.7 课题主要研究内容24-26
• 1.7.1 主要研究内容24-25
• 1.7.2 技术路线25-26
• 第2章 实验材料与方法26-34
• 2.1 实验材料与设备26-28
• 2.1.1 实验材料26
• 2.1.2 实验设备26-28
• 2.2 实验设计28-30
• 2.2.1 沼气发酵复合菌系富集与培养条件优化28-29
• 2.2.2 沼气发酵复合菌系两段式厌氧发酵特性29
• 2.2.3 两段式厌氧发酵系统微生物群落结构分析29-30
• 2.3 实验方法30-34
• 2.3.1 培养基的配制30
• 2.3.2 复合菌系微生物MPN计数30-31
• 2.3.3 常规化学指标分析方法31-32
• 2.3.4 微生物多样性和形态分析32-34
• 第3章 沼气发酵复合菌系富集与培养条件优化34-43
• 3.1 沼气发酵复合菌系的富集驯化34-35
• 3.2 沼气发酵复合菌系培养条件优化35-41
• 3.2.1 底物浓度（TS）对沼气发酵复合菌系产气效能影响35-37
• 3.2.2 C/N对沼气发酵复合菌系产气效能影响37-38
• 3.2.3 初始p H对沼气发酵复合菌系产气效能影响38-40
• 3.2.4 底物浓度（TS）、C/N和初始p H最优组合分析40-41
• 3.3 本章小结41-43
• 第4章 沼气发酵复合菌系对两段式厌氧发酵产甲烷特性影响43-52
• 4.1 接种复合菌系对产酸相发酵特性影响43-47
• 4.1.1 接种复合菌系对产酸相的产气量影响43-44
• 4.1.2 接种复合菌系对产酸相VFA浓度影响44-45
• 4.1.3 接种复合菌系对不同温度条件下产酸相发酵特性影响45-47
• 4.2 接种复合菌系对产甲烷相产气效能影响47-51
• 4.2.1 接种复合菌系对产甲烷相沼气产量影响47-48
• 4.2.2 接种复合菌系对不同温度条件下产甲烷相产气效能影响48-51
• 4.3 本章小结51-52
• 第5章 两段式厌氧发酵系统微生物群落结构分析52-65
• 5.1 产酸相微生物群落分析52-56
• 5.1.1 不同温度稳定运行期细菌多样性分析52-54
• 5.1.2 不同温度稳定运行期细菌系统发育分析54-56
• 5.2 产甲烷相微生物群落分析56-61
• 5.2.1 不同温度稳定运行期细菌多样性分析56-58
• 5.2.2 不同温度稳定运行期细菌系统发育分析58-60
• 5.2.3 不同温度稳定运行期产甲烷菌群落分析60-61
• 5.3 微生物群落结构与温度变化的响应关系61-63
• 5.3.1 产酸相微生物群落结构与温度的响应关系61-62
• 5.3.2 产甲烷相微生物群落结构与温度的响应关系62-63
• 5.4 本章小结63-65
• 结论65-67
• 参考文献67-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果73-75
• 致谢75

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