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《中国农业大学》 2017年
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丙酸产甲烷菌系的驯化过程及生物强化作用研究

李颖  
【摘要】:即能处理有机废弃物又可产生清洁能源的沼气发酵技术在我国得到了较快的发展,然而该技术存在低浓度发酵经济性差,高浓度发酵运行不稳定的问题。在实现稳定的高浓度厌氧发酵进程中,挥发性脂肪酸累积导致的产气抑制是亟需解决的问题,因此,本文以厌氧发酵中极易累积的丙酸、乙酸为目标去除物,构建丙酸产甲烷菌系(含有互营丙酸氧化菌群、氢型产甲烷菌群及乙酸裂解产甲烷菌群),对丙酸氧化为乙酸,乙酸产甲烷及H2+CO2产甲烷三个代谢步骤进行整体的生物强化,探讨解除酸抑制的生物强化模式,分析评价生物强化作用效果,并从微生物群落结构演替、微生物网络关系及基因功能差异等方面揭示生物强化作用机理,得出的主要结论如下:经长期驯化获得了多种功能的丙酸产甲烷菌系:利用固体沉积的静态驯化方法获得了 OLR承受力为2.5gHprL-1 d1-,平均容积产甲烷率为1.20LL-1d-1,丙酸耐受浓度超过11.0gL-1的高浓度丙酸产甲烷菌群,该菌群的优势功能菌为丙酸氧化菌Syntrophobacter及产甲烷菌Methanoculleus,Methanothrix;利用阶梯性降低pH的驯化方法获得了 pH在4.8-6.0下稳定产气的耐酸丙酸产甲烷菌群,其群落组成为丙酸氧化菌Smithella、Syntrophobacter、Pelotomaculum办Syntrophomonas 及产甲烷菌群 Methanothrix、Methanolinea、Methanospirillhm。证实了丙酸产甲烷菌群的生物强化作用:丙酸产甲烷菌群可提高厌氧发酵的有机负荷2倍,平均甲烷含量、容积产甲烷率、VS产甲烷率分别提高24.04%(76.54%),0.22L L-1 d-1(366.67%)及0.23 Lg-1VSd-1(287.50%);投加耐酸丙酸产甲烷菌群可促进酸败恢复,在一周内恢复发酵系统的初始产气水平,且生物强化后容积产气量比生物强化前提高30-35%;丙酸产甲烷菌群可缓解3.0gN L-1的氨氮抑制,1倍剂量(0.3g细胞干重L-1d-1)的生物强化可以防止失稳的发酵体系进一步恶化,在丙酸浓度为8500mgL-1,乙酸浓度为3000mgL-1,容积产甲烷量低于0.001L L-1 d-1时,2倍剂量的生物强化可有效地促进发酵体系恢复产气,生物强化后,平均容积甲烷产量、甲烷转化率及丙酸降解率分别提高了 158 mL L-1 d-1 48%及62%。揭示了生物强化作用机理:生物强化可调整微生物群落结构,提高有益功能菌群的生物量,利用高浓度丙酸产甲烷菌群进行生物强化时,提高了被强化发酵体系中的产甲烷菌Methanothrix、丙酸氧化菌Syntrophobacter氨基酸降解菌Aminivibrio、发酵细菌Pelolinea、Proteiniphilum的生物量:利用耐酸丙酸产甲烷菌群进行生物强化时提高乙酸型产甲烷菌Methanothrix及氢型产甲烷菌的Methanolinea的相对丰度。此外,在基因水平上,生物强化增强了微生物参与膜运输及细胞运动的基因功能。本文提供了强化挥发性脂肪酸降解并提高产甲烷的生物强化菌群的驯化方法及不同功能的菌剂;证实了丙酸产甲烷菌群可解除酸抑制、促进酸败恢复及缓解氨抑制,进而提高厌氧发酵性能;丰富了对生物强化作用机理的认识,为生物强化技术在厌氧发酵中的应用提供了实验及理论基础,推进了其实用化进程。
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S216.4;Q93

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