丙酸互营氧化菌群对厌氧消化过程中挥发性脂肪酸累积的调控研究

摘要

乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸(VFAs)是厌氧消化产沼气过程中的重要中间代谢产物。通常厌氧消化系统中的有机负荷过高、原料复杂等因素会导致系统中脂肪酸的累积，引起系统酸化、抑制微生物的生长，从而影响系统稳定性。且由于丙酸、丁酸等脂肪酸降解为乙酸、二氧化碳和氢气的反应所需自由能较高，不能自发进行。因此，脂肪酸的降解被认为是厌氧消化过程的限速步骤。研究表明，可以通过互营细菌和产甲烷菌互营合作而实现对脂肪酸的降解。本论文针对以上问题，从互营降解脂肪酸的角度出发，构建丙酸互营氧化菌群，通过生理生化研究，优化脂肪酸互营氧化的运行参数，建立脂肪酸累积的快速解除工艺。并基于所构建的菌群，实现对酸化厌氧消化系统的修复调控，保证系统稳定运行，同时分析调控前后的微生物群落，为厌氧消化系统的推广应用提供理论和技术基础。研究结果如下:
　　(1)以药厂废水为接种源，丙酸为唯一碳源，利用亨盖特厌氧操作技术，通过连续传代驯化，获得了高效、稳定的厌氧降解丙酸产甲烷复合菌系一丙酸互营氧化菌群。该菌群能在24-26 d将3000 mg/L丙酸钠完全降解，甲烷含量不低于58.00％。克隆文库结果显示复合菌系的主要细菌物种为Pelotomaculum;主要古菌物种为Methanosarcina和Methanospirillum。
　　(2)通过单因子实验确定，向培养基中添加有机氮源(酵母提取物YE和胰蛋白胨BBL)，能明显促进丙酸互营氧化菌群的生长，缩短丙酸厌氧氧化产甲烷代谢延滞期，提高体系甲烷产量。其中单独添加BBL甲烷产量最高，同时添加YE和BBL，产甲烷速率最高。高通量结果显示，Firmicutes的Pelotomaculum为主要的丙酸氧化细菌，Methanosaeta和Methanoculleus是主要的产甲烷古菌。添加有机氮源可以改变丙酸互营氧化菌群中细菌的物种多样性及丰度，对的古菌优势物种无明显改变，但对其丰度有一定影响。
　　(3)固型载体能促进挥发性脂肪酸的互营代谢。丙酸互营氧化菌群氧化丙酸时，加入固型载体玻璃砂CL，丙酸氧化产甲烷的转化效率最高，19d可将3000 mg/L的丙酸完全降解，甲烷含量不低于64％。氧化丁酸时，添加活性炭毡B能提高厌氧消化启动效率，加速丁酸互营氧化。对丙酸快速解除工艺进行优化，最终选择空心玻璃砂为载体、BCTY（同时添加BBL和YE）为培养基作为丙酸快速解除的最优工艺。该条件下，体系产甲烷速率和丙酸降解率最快，丙酸日平均降解率为136.49 mg/L·d。
　　(4)丙酸互营氧化菌群可修复酸化后的厌氧消化系统。厌氧消化初期，Clostridiales等在CSTRcontrol和CSTRtreatment中代谢反应器中的底物产生大量VFAs导致系统酸化，酸化类型表现为丁酸型发酵，pH值迅速下降至5.0左右。将反应器CSTRrecover与酸化后的CSTRtreatment通过Separator相连接，两个反应器间的消化液循环18 d后，CSTRtreatment恢复正常产甲烷代谢作用。修复过程中，推测Acinetobacter为降解乙酸和丁酸的主要细菌。最终，CSTRtreatment中VFAs降解率可达100.00％，TS产气率为456.49 L/kg，为CSTRcontrol的4.66倍。且随着CSTRecover与CSTRtreatment之间消化液的逐步循环，两反应器中细菌和古菌的优势物种及其丰度逐渐趋同。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 引言

1．1 研究背景

1．2 研究目的与意义

1．3 国内外研究进展

1．3．1 脂肪酸累积对厌氧消化系统的影响

1．3．2 脂肪酸累积的调控策略研究

1．3．3 脂肪酸互营氧化的机理

1．4 研究内容与主要技术路线

1．4．2 技术路线

2．1．1 样品来源

2．1．2 主要仪器和试剂

2．1．3 培养基

2．2 实验方法

2．2．1 丙酸互营氧化菌群的富集培养

2．2．2 丙酸互营氧化菌群的传代驯化

2．2．3 甲烷含量的测定

2．2．4 挥发性脂肪酸(VFAs)的测定

2．2．5 微生物群落结构解析

2．3 结果与讨论

2．3．1 丙酸互营氧化菌群的富集结果

2．3．3 丙酸互营氧化菌系的微生物群落解析

2．4 本章小结

第三章 丙酸互营氧化菌群的营养需求研究

3．1 实验材料

3．1．1 实验菌系

3．1．2 主要仪器和试剂

3．1．3 培养基

3．2 实验方法

3．2．1 丙酸互营氧化菌群的营养需求

3．2．2 甲烷含量及累积产量的测定

3．2．3 挥发性脂肪酸(VFAs)的测定

3．2．4 氨氮的测定

3．2．5 微生物群落结构分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 有机氮源对丙酸互营氧化菌群产甲烷代谢的影响

3．3．2 有机氮源对丙酸互营氧化菌群VFAs代谢的影响

3．3．3 有机氮源对培养体系中氨氮浓度的影响

3．3．4 有机氮源对丙酸互营氧化菌群微生物群落结构的影响

3．4 本章小结

第四章 固型载体对丙酸互营氧化菌群发酵工艺的促进

4．1 实验材料

4．1．1 实验菌系

4．1．2 主要仪器和试剂

4．1．3 培养基

4．1．4 固型载体及特征

4．2 实验方法

4．2．1 固型载体对丙酸互营厌氧菌群代谢丙酸的影响

4．2．2 固型载体对丙酸互营厌氧菌群代谢丁酸的影响

4．2．3 丙酸快速解除工艺的优化

4．2．4 甲烷含量及累积产量的测定

4．2．5 挥发性脂肪酸(VFAs)的测定

4．2．6 氨氮的测定

4．2．7 微生物群落结构分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 固型载体对丙酸互营厌氧菌群代谢丙酸的影响

4．3．2 两种不同固型载体对丙酸互营厌氧菌群代谢丁酸的影响比较

4．3．3 丙酸快速解除工艺的优化

4．4 本章小结

第五章 丙酸互营氧化菌群对酸化厌氧消化系统的修复

5．1 实验材料

5．1．1 实验菌系

5．1．2 主要仪器和试剂

5．1．3 培养基

5．1．4 实验原料

5．1．5 菌群生长载体

5．2 分析方法

5．2．1 有机物质的测定

5．2．2 纤维素含量的测定

5．2．3 沼气产量和甲烷含量的测定

5．2．4 挥发性脂肪酸(VFAs)的测定

5．2．5 氨氮含量的测定

5．2．6 微生物群落结构分析

5．3 实验设置

5．3．1 实验装置

5．3．2 实验设计

5．4 结果与讨论

5．4．1 阶段1：CSTRs酸化阶段

5．4．2 阶段2：CSTRrecover修复阶段

5．4．3 阶段3：CSTRtreatment稳定产甲烷阶段

5．4．4 氨氮浓度变化

5．4．5 工艺效果分析

5．4．6 微生物共性分析

5．4．7 微生物群落结构分析

5．5 本章小结

6．1 全文总结

6．1．1 丙酸互营氧化菌系的构建

6．1．2 丙酸互营氧化菌群的营养需求研究

6．1．3 固型载体对丙酸互营氧化菌群的发酵工艺的促进

6．1．4 丙酸互营氧化菌群对酸化的厌氧消化系统的修复

6．2 工作不足与展望

6．2．1 未能进一步揭示菌群中微生物之间的互营关系及其代谢机制

6．2．2 丙酸互营氧化菌群厌氧消化工艺参数有待进一步优化

6．2．3 未能揭示丙酸互营氧化菌群对混合酸的互营代谢能力

6．2．4 未从其他酸化类型的角度揭示丙酸互营养化菌群的功能特征

参考文献

致谢

作者简历