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《黑龙江八一农垦大学》 2017年
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氮源对玉米秸秆沼气发酵过程及微生物群落的影响

马茹霞  
【摘要】:我国玉米秸秆产量巨大但资源化利用程度低。以秸秆为原料的沼气发酵工艺产气率不高。本研究通过优化玉米秸秆沼气发酵的氮源种类和浓度,提高秸秆沼气发酵的产气量。通过分析发酵料液中微生物多样性和丰度变化规律,从微生物学角度揭示氮源对玉米秸秆沼气发酵效率的影响。本研究以玉米秸秆为沼气发酵原料,选择有机氮源尿素和无机氮源硝酸铵为外加氮源,添加浓度分别为0 g/L(对照)、1 g/L、2 g/L、4 g/L进行批次试验,发酵时间30d。试验结果表明,氮源添加尿素1 g/L的处理产甲烷效率最高,TS甲烷产率为217.5 m L/g。选取添加尿素1 g/L这一浓度在25L反应器中进行连续进料的玉米秸秆沼气发酵试验,结果发现:加尿素的处理的TS甲烷产率显著高于不加氮的对照,而且产气高峰更加提前。加氮较不加氮处理能显著提高纤维素和半纤维素的降解率,但木质素降解率差异性不显著。利用高通量测序技术研究玉米秸秆沼气发酵样品中微生物多样性及其变化规律,结果表明,氮素添加能够显著影响发酵料液中细菌多样性,但没有显著影响古菌多样性。氮素添加能够显著影响细菌和古菌的菌群丰度。在各发酵时期的样品中,细菌优势菌群(菌群丰度大于9%)有Bacteroidetes(拟杆菌门)(22.5%-43.4%)、Firmicutes(厚壁菌门)(18.1%-36.6%)、Spirochaetes(螺旋菌门)(5.2%-14.1%)、Proteobacteria(变形菌门)(2.2%-11.1%)、Chloroflexi(绿弯菌门)(0.7%-9.1%)等。在发酵初期(10d),添加氮处理Bacteroidetes的数量低于对照,所有处理Spirochaetes的数量高于对照。在属水平上,各发酵时期菌属组成均不相同。各发酵时期料液中优势古菌类群(菌群丰度大于4%)有Methanosaeta(甲烷鬃毛菌)(36.7%-68.7%)、Methanoculleus(甲烷囊菌属)(3.8%-16.2%)、Methanospirillum(甲烷螺菌属)(5.2%-9.2%)、Methanobacterium(甲烷杆菌属)(1.5%-14.3%)和Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)(0.6%-4.9%)。发酵初期(10d),添加氮处理的Methanosaeta数量低于对照,处理的Methanoculleus的数量高于对照。随着发酵的进行,对照的Methanobacterium丰度逐渐提升。细菌比古菌表现出更加复杂的多样性。选取氮素添加量为1 g/L的处理发酵初期样品进行宏基因组学研究,结果共获得72.37%的细菌和18.52%的古菌注释序列,其中的优势菌群主要参与脂肪、蛋白质和纤维素等大分子有机物降解。功能基因注释结果表明体系内存在食氢和食乙酸两种产甲烷途径,其中食氢产甲烷途径占据主导地位。注释到的Sphaerochaeta在体系中大量存在,揭示其在玉米秸秆降解产甲烷环境中具有重要作用。综上所述,以玉米秸秆为原料的沼气发酵时,适当的添加氮源能够显著提高玉米秸秆的TS甲烷产率;氮素添加能够显著影响发酵料液中细菌组成多样性,但没有显著影响古菌组成多样性,且能够显著影响细菌和古菌的菌群丰度;通过研究不同氮源及浓度对玉米秸秆沼气发酵的影响,能为提高玉米秸秆甲烷产率,提高秸秆类生物质资源化利用提供理论指导。
【关键词】:玉米秸秆 沼气发酵 氮源 碳氮比 宏基因组 微生物多样性
【学位授予单位】:黑龙江八一农垦大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S216.4
【目录】:
  • 摘要9-11
  • 英文摘要11-13
  • 1 文献综述13-23
  • 1.1 研究背景13
  • 1.2 国内外研究进展13-21
  • 1.2.1 沼气发酵过程13-14
  • 1.2.2 沼气发酵过程中的微生物14-16
  • 1.2.3 沼气发酵过程的影响因素16-18
  • 1.2.4 氮对秸秆沼气发酵的影响18-19
  • 1.2.5 微生物多样性的研究方法19-21
  • 1.3 研究意义21-23
  • 2 材料与方法23-29
  • 2.1 试验原料23
  • 2.2 发酵体系建立23-24
  • 2.2.1 氮源种类和浓度优化试验发酵体系建立23
  • 2.2.2 连续添加秸秆沼气发酵体系建立23-24
  • 2.3 试验方法24-29
  • 2.3.1 理化参数测定24
  • 2.3.2 高通量测序分析24-26
  • 2.3.3 宏基因组学分析26-29
  • 3 结果与分析29-60
  • 3.1 玉米秸秆沼气发酵氮源种类和浓度优化29-33
  • 3.1.1 不同氮处理下产气量的变化29-31
  • 3.1.2 不同氮处理下pH的变化31-32
  • 3.1.3 不同氮处理下氨态氮和硝态氮的变化32-33
  • 3.2 氮源对连续添加秸秆沼气发酵的影响33-39
  • 3.2.1 添加氮对沼气产量的影响33-35
  • 3.2.2 添加氮对沼气发酵过程中pH的影响35-36
  • 3.2.3 添加氮后沼气发酵过程中体系C/N的变化36
  • 3.2.4 添加氮后沼气发酵过程中氨态氮和硝态氮的变化36-38
  • 3.2.5 添加氮对沼气发酵过程中木质纤维素降解的影响38
  • 3.2.6 添加氮后沼气发酵体系粘度的变化38-39
  • 3.3 玉米秸秆沼气发酵过程中细菌和古菌组成多样性分析39-50
  • 3.3.1 发酵样品总DNA的提取39-40
  • 3.3.2 高通量测序序列数据统计40-42
  • 3.3.3 发酵料液中细菌和古菌群落组成分析42-48
  • 3.3.4 发酵体系降解特性和TS甲烷产率与细菌和古菌多样性的相关性分析48-50
  • 3.4 玉米秸秆沼气发酵体系宏基因组学研究50-60
  • 3.4.1 发酵料液基因组DNA的提取50-51
  • 3.4.2 数据预处理51-53
  • 3.4.3 组装53
  • 3.4.4 基因预测53-54
  • 3.4.5 物种注释54-55
  • 3.4.6 功能基因注释55-57
  • 3.4.7 产甲烷代谢途径分析57-60
  • 4 讨论60-65
  • 4.1 玉米秸秆沼气发酵氮源种类和浓度优化60-61
  • 4.2 氮源对连续添加秸秆沼气发酵的影响61
  • 4.3 玉米秸秆沼气发酵过程中细菌和古菌组成多样性分析61-63
  • 4.4 玉米秸秆沼气发酵体系宏基因组学研究63-65
  • 5 结论65-67
  • 参考文献67-75
  • 致谢75-77
  • 个人简历77

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