有机固体废弃物厌氧、好氧发酵特性及细菌多样性对比研究

摘要

当前有机固体废弃物产生的严重环境问题已成为研究的重要课题，其处理方式主要有好氧堆肥化以及厌氧消化这两种处理方式。好氧堆肥化是一种能将有机固体废弃物转化成能够改善土壤营养结构无污染肥料的方法。厌氧消化则是一种将有机固体废弃物转化成沼气能源的方法，但由于传统的厌氧消化过程，产气量少并且甲烷浓度较低，常需添加调节厌氧消化过程中产沼气的菌种以得到更多的沼气以及更高的甲烷浓度，从而提高厌氧消化产沼气的质量。
　　本研究通过设计并搭建了相关实验平台，以牛粪与甘蔗叶以及啤酒厂滤泥这三种有机固体废弃物为原料，通过添加尿素调节初始C/N值，在初始C/N值为10.12、15.02、20.03的混合物料中，对厌氧消化过程中理化参数以及产沼气特性进行了实验研究。研究还通过多次富集与筛选，从上述三种混合物料厌氧消化过程中筛选分离纯化出一株与产沼气相关的菌株，经过PCR扩增16S rDNA并克隆测序分析以及经过形态学、生理生化鉴定，初步鉴定该菌为产气乳酸杆菌属Lactobacillus命名为GXU-LYC02。研究还采用单因素法对该菌生理特性进行实验研究，进行初步优化后制成菌剂并添加到厌氧消化环境中，研究其对厌氧消化产沼气特性的影响。
　　本研究还分别对初始C/N值为15的好氧堆肥化过程中各种发酵理化参数以及厌氧消化过程中理化参数以及厌氧消化产气、产能特性进行了实验对比研究，并对厌氧消化后的沼渣好氧堆肥化处理进行实验研究。同时利用PCR-DGGE的方法对好氧堆肥化、厌氧消化以及沼渣好氧堆肥化进程中细菌群落进行分析。研究结果表明:
　　(1)在牛粪、甘蔗叶、滤泥三者混合物料碳氮比为分别10.12、15.02、20.03厌氧消化过程中，产气最佳的碳氮比为15.02，最高累计产气量为1748.63mL·kg-1，甲烷最高浓度为59.26％。
　　(2)筛选获得菌株乳酸杆菌属Lactobacillus命为GXU-LYC02的菌株，具有酸化水解纤维素产氢的功能，革兰氏染色阳性，生长最适pH值为5.5，菌株在0～1.4mol/LNaCl时产气量最大，最适温度为30℃，添加到厌氧消化发酵混合物料中有助于增加累积产沼气量。
　　(3)通过PCR-DGGE方法对好氧堆肥化、厌氧消化以及沼渣好氧堆肥化发酵细菌多样性进行对比研究，这些过程中细菌数量和群落结构丰富多样，样品间的细菌群落结构差异性相对较大。好氧堆肥化和沼渣好氧堆肥发酵过程中与降解纤维素有关的菌株均成为样品共有的优势微生物。厌氧消化过程中与产沼气相关的菌种成为样品共有的优势微生物，如梭菌属、拟杆菌、纤维杆菌属、科里氏杆菌属、厚壁菌门韦荣氏球菌属等。
　　(4)沼渣经好氧堆肥化达到腐熟后，有机质降解到42.13％，达不到国家农业部标准NY525-2012有机肥料有机质含量(≥45％)要求。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 农业有机固体废弃物的资源化

1．1．1 农业有机固体废弃物环境的危害

1．1．2 农业有机固体废弃物资源化利用

1．2 厌氧消化

1．2．1 厌氧消化基本原理

1．2．2 厌氧消化主要影响因素

1．3 好氧堆肥

1．3．1 好氧堆肥化的主要影响因素

1．4 PCR-DGGE技术

1．4．1 16S rDNA／rRNA序列分析技术在环境微生物的研究

1．4．2 PCR技术

1．4．3 变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术

1．5 本课题的立题背景、意义及主要内容

1．5．1 研究背景和意义

1．5．2 主要内容

第二章 不同碳氮比对厌氧消化产沼气特性影响研究

2．1 实验材料与设备

2．1．1 实验仪器

2．1．2 材料与试剂

2．2 实验方法

2．2．1 实验发酵装置

2．2．2 实验设计

2．2．3 实验测定方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同碳氮比厌氧消化COD值和有机质

2．3．2 不同碳氮比厌氧消化凯氏氮的变化

2．3．3 不同碳氮比厌氧消化pH值的变化

2．3．4 不同碳氮比厌氧消化铵态氮的变化

2．3．5 不同碳氮比厌氧消化挥发性脂肪酸的变化

2．3．6 不同碳氮比厌氧消化产沼气情况

2．4 本章小结

第三章 厌氧消化过程中产沼气相关菌株的筛选及特性研究

3．1 实验材料与设备

3．1．1 实验仪器与设备

3．1．2 材料与试剂

3．1．3 培养基

3．2 实验方法与步骤

3．2．1 筛选菌株

3．2．2 菌株的保存

3．2．3 菌株鉴定

3．2．4 菌株系统发育树分析

3．2．5 添加菌株对厌氧消化产沼气的影响

3．3 实验结果与讨论

3．3．2 菌株生理生化特征、形态特征测定结果

3．3．2 菌株PCR扩增16S rDNA序列鉴定结果

3．3．3 菌株系统发育树分析

3．3．3 添加菌株对产沼气的影响结果菌株

3．4 本章小结

第四章 厌氧消化与好氧堆肥化特性及细菌结构对比性研究

4．1 实验材料与设备

4．1．1 材料与试剂

4．1．2 实验仪器与装置

4．2 实验方法

4．2．1 理化参数的测定

4．2．2 DNA的提取

4．2．2 Nested-PCR扩增厌氧消化样品中细菌16S rDNAV3区

4．2．3 常规PCR扩增好AC肥化和RAC处理样品中细菌16S rDNAV3区

4．2．3 PCR产物的变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析

4．2．4 特异性条带的回收与测序

4．2．5 多样性分析

4．3 理化参数对比分析结果

4．3．1 理化参数对比分析结果

4．4 PCR-DGGE实验分析结果

4．4．1 总DNA提取

4．4．2 Nested-PCR第一步扩增AD样品的16S rDNA V3区

4．4．3 Nested-PCR第二步扩增厌氧消化样品的16S rDNA V3区

4．4．4 PCR扩增AC样品和RAC样品中细菌的16S rDNAV3区

4．4．4 PCR产物的DGGE分析

4．4．5 特异性条带的测序

4．4．6 多样性分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 研究总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学生论文