利用秸稈水解液的微生物暗發(fā)酵產氫特性及機制研究.pdf

1、秸稈類木質纖維素以其數(shù)量大、價格低廉、可再生、獲取容易等諸多優(yōu)點成為暗發(fā)酵生物制氫潛在的適宜底物。利用秸稈類物質進行生物制氫可以大大降低氫氣的生產成本,使生物制氫在經(jīng)濟上更具有可行性,同時避免了秸稈類物質通常的焚燒處理導致的嚴重環(huán)境污染。然而,秸稈類物質具有高結晶度、高異質性的復雜結構,致使微生物對其的直接降解效率較低。因此,利用富含戊糖、己糖的秸稈水解液進行微生物發(fā)酵產氫成為生物制氫產業(yè)化應用的重要發(fā)展方向。目前,在混合微生物進行秸稈

2、水解液發(fā)酵產氫過程中,存在著底物降解不充分,產氫效率較低等瓶頸問題,嚴重阻礙了秸稈水解液產氫的生產規(guī)模應用。另一方面,對秸稈水解液利用過程中的微生物產氫分子機制亦不清楚,難以從理論層面指導實際產氫工藝的運行過程。
　　基于此,本研究考察了種泥預處理和發(fā)酵溫度對不同類型混合微生物利用秸稈水解液產氫過程的影響。為提高系統(tǒng)的底物降解率與產氫能力,采用對秸稈水解液具有高效降解、產氫能力的菌株Thermoanaerobacterium th

3、ermosaccharolyticum W16對混合微生物利用秸稈水解液產氫過程進行了生物強化。通過擴增片段長度多態(tài)性(AFLP)和木質纖維素降解基因分析闡述了T.thermosaccharolyticum類型微生物在秸稈類物質利用過程中的分子機制。對菌株W16的[FeFe]-氫化酶基因簇進行了基因克隆、特征分析與轉錄表達分析,解析了T.thermosaccharolyticum類型微生物的產氫機制。
　　結果表明,熱、酸、堿、超

4、聲和紫外五種預處理方法中,熱預處理對活性污泥、河流底泥和顆粒污泥中混合微生物的產氫過程具有較好提升效果,熱預處理下的活性污泥接種達到了最大的氫氣產量5.03mmol/g-sugar utilized。在不同發(fā)酵溫度(30°C、37°C、55°C、70°C)中,55°C時三種類型種泥均達到最高氫氣產量,顆粒污泥接種時數(shù)值最大(7.74mmol/g-sugar utilized),而70°C時混合微生物對秸稈水解液的產氫效能顯著低于55°C

5、。預處理過程和高溫條件顯著改變了微生物群落結構,使之由Enterobacter spp.、Escherichia spp.、Klebsiella spp.等兼性微生物的普遍存在,轉變?yōu)镃lostridium spp.、Bacillus spp.、Thermoanaerobacterium spp.等高效厭氧產氫微生物的大量富集。
　　菌株W16的生物強化作用可以顯著提升腐爛秸稈和厭氧污泥接種時混合微生物利用秸稈水解液過程的氫氣產量

6、,同時一定程度提高了底物降解率,生物強化下的腐爛秸稈接種達到最高的氫氣產量9.90mmol-H2/g-sugar utilized。AFLP分析顯示T.thermosaccharolyticum類型微生物具有較高的基因組DNA保守性,差異條帶中的2-polyprenylphenol 6-hydroxylase基因可能為T.thermosaccharolyticum類型微生物較強木質纖維素降解能力的關鍵因素。此外,在T.thermosac

7、charolyticum中的木質纖維素降解基因中,Cellulose 1,4-beta-cellobiosidase基因中-10區(qū)RNA聚合酶結合位點處的單堿基差異可能與T.thermosaccharolyticum類型微生物對纖維素的利用效果密切相關。
　　克隆得到了菌株W16[FeFe]-氫化酶hyd和hfs基因簇的完整DNA序列,分別包含hydII(1308bp)、hydC(480bp)、hydD(363bp)、hydB(1

8、788bp)和hydA(1752bp),以及hfsA(243bp)、hfsB(1716bp)和hfsC(1512bp),其中hydII、hydB、hydA、hfsB和hfsC為較重要的氫化酶基因。分析了hyd和hfs基因簇中各基因的DNA序列特征、對應蛋白質的物理化學性質、二級和三級結構、結構功能區(qū)與保守區(qū)。考察不同氣相條件(起始N2、H2或CO2灌注)對氫化酶轉錄表達的影響。對hyd基因簇,hydA的轉錄過程在高H2或高CO2分壓下被