降解纖維素產(chǎn)氫復合菌群構建及其產(chǎn)氫特性研究.pdf

1、發(fā)酵法生物制氫技術以其具有能源和環(huán)保的雙重功效，已經(jīng)成為環(huán)境生物技術領域的研究熱點之一。但是該技術在利用木質纖維素這類復雜生物質發(fā)酵產(chǎn)氫時普遍存在產(chǎn)氫菌種篩選、培養(yǎng)方式簡單和產(chǎn)氫能力不高等難題。針對目前發(fā)酵法生物制氫技術工業(yè)化進程中存在的問題，本研究進行了降解纖維素產(chǎn)氫細菌的分離篩選。結合混合菌群協(xié)同作用原理，構建高效的降解纖維素產(chǎn)氫復合菌群，并通過間歇培養(yǎng)條件優(yōu)化試驗探討復合菌群協(xié)同降解纖維素發(fā)酵產(chǎn)氫的特性和機制，為生物制氫工業(yè)化進程

2、提供了試驗基礎和理論依據(jù)。
　　以LM-1和微晶纖維素（MCC）培養(yǎng)基與改進Hungater厭氧技術，從連續(xù)流攪拌槽式生物制氫反應器（CSTR）中分離得到125株發(fā)酵產(chǎn)氫細菌。通過進一步的篩選，獲得一株高效降解纖維素產(chǎn)氫細菌X9和一株高效產(chǎn)乙醇發(fā)酵產(chǎn)氫細菌B2。通過對菌株X9的形態(tài)結構特征、生理生化、16SrDNA序列測定和系統(tǒng)發(fā)育學分析，表明菌株X9是一個新屬，NCBI注冊號為EU434651。菌株B2的16SrDNA鑒定結果表

3、明其為哈爾濱產(chǎn)乙醇桿菌屬（Ethanoligenensharbinense）的一個新種，NCBI注冊號為EU639425。對菌株X9生長特性和培養(yǎng)條件影響因素進行了優(yōu)化實驗分析，得出X9最佳培養(yǎng)碳源為復合碳源葡萄糖和MCC（2：1，15.0g/L），氮源為復合氮源酵母粉、蛋白胨和牛肉膏（1：1：1，6.0g/L），培養(yǎng)溫度40℃，初始pH6.5，L-半胱氨酸0.5g/L，C/N2.5，維生素液和微量元素液各1.0％，震蕩強度（搖床轉速）

4、100rpm，培養(yǎng)時間（菌齡）25h。此條件培養(yǎng)的種子菌株X9降解纖維素產(chǎn)氫的最大產(chǎn)氫率可達4.9mmol/g。
　　以混合培養(yǎng)微生物互惠共生和共代謝原則，通過菌種復配優(yōu)選試驗構建了一組高效降解纖維素產(chǎn)氫復合菌群X9＋B2。對影響復合菌群產(chǎn)氫主要控制因素的作用機理進行了系統(tǒng)研究和優(yōu)化實驗分析，結果表明以MCC為底物的優(yōu)化條件為：接種量6%，接種比例1：1，同時接種，初始pH6，底物濃度12g/L，培養(yǎng)時間40h，C/N4，L-半胱

5、氨酸0.7g/L，Ca2+濃度0.1g/L，F(xiàn)e2+濃度0.3g/L，微量元素液0.9%和維生素液0.7%。復合菌群采用變溫調速產(chǎn)氫操作方式，即在初始溫度37℃運行8h后逐步升溫到40℃維持3h，初始搖床轉速90rpm運行20h時逐步提速到130rpm。此條件復合菌群獲得的最大產(chǎn)氫率為10.4mmol/g，是單一菌株X9最大產(chǎn)氫率4.8mmol/g的2.2倍。當以羧甲基纖維素鈉（CMC）為底物時，復合菌群獲得的最大產(chǎn)氫率為6.9mmol

6、/g，是單一菌株X9最大產(chǎn)氫率3.0mmol/g的2.3倍。通過復合菌群在連續(xù)繼代培養(yǎng)和其第10、20、40、60、80、100和120代培養(yǎng)發(fā)酵產(chǎn)氫穩(wěn)定性試驗分析，各代之間沒有明顯的差異，最大差異不超過5%，表現(xiàn)出較好的功能和性質穩(wěn)定性。
　　選擇酸化汽爆、酸、堿和氨水4種預處理方法對玉米秸稈進行預處理，復合菌群以處理后的玉米秸稈為底物進行發(fā)酵產(chǎn)氫試驗的結果表明，酸化汽爆預處理玉米秸稈的產(chǎn)氫能力最高。對影響酸化汽爆預處理效果主要

7、因素的作用機制進行系統(tǒng)研究和優(yōu)化實驗分析，其最佳條件為：溫度121℃，壓力0.1MPa，維壓時間2h，酸浸濃度1.0%，粒徑50目和固液比1：10，在此條件下復合菌群達到的最大產(chǎn)氫率為8.7mmol/g。基于對利用玉米秸稈預處理產(chǎn)物發(fā)酵產(chǎn)氫能力的分析，提出對玉米秸稈采用酸化汽爆預處理兩段式發(fā)酵產(chǎn)氫操作方法，即預處理玉米秸稈固體采用復合菌群發(fā)酵產(chǎn)氫，而預處理分離液采用單一菌株X9發(fā)酵產(chǎn)氫的方式，此操作條件下綜合利用玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫獲得的最