降解纖維素產(chǎn)氫復(fù)合菌群構(gòu)建及其產(chǎn)氫特性研究.pdf

1、發(fā)酵法生物制氫技術(shù)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(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。但是該技術(shù)在利用木質(zhì)纖維素這類復(fù)雜生物質(zhì)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(shù)工業(yè)化進(jìn)程中存在的問題，本研究進(jìn)行了降解纖維素產(chǎn)氫細(xì)菌的分離篩選。結(jié)合混合菌群協(xié)同作用原理，構(gòu)建高效的降解纖維素產(chǎn)氫復(fù)合菌群，并通過間歇培養(yǎng)條件優(yōu)化試驗探討復(fù)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(jìn)程

2、提供了試驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。
　　以LM-1和微晶纖維素（MCC）培養(yǎng)基與改進(jìn)Hungater厭氧技術(shù)，從連續(xù)流攪拌槽式生物制氫反應(yīng)器（CSTR）中分離得到125株發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌。通過進(jìn)一步的篩選，獲得一株高效降解纖維素產(chǎn)氫細(xì)菌X9和一株高效產(chǎn)乙醇發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌B2。通過對菌株X9的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、生理生化、16SrDNA序列測定和系統(tǒng)發(fā)育學(xué)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(jié)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(jìn)行了優(yōu)化實驗分析，得出X9最佳培養(yǎng)碳源為復(fù)合碳源葡萄糖和MCC（2：1，15.0g/L），氮源為復(fù)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(zhuǎn)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(dá)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(fù)配優(yōu)選試驗構(gòu)建了一組高效降解纖維素產(chǎn)氫復(fù)合菌群X9＋B2。對影響復(fù)合菌群產(chǎn)氫主要控制因素的作用機理進(jìn)行了系統(tǒng)研究和優(yōu)化實驗分析，結(jié)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(fù)合菌群采用變溫調(diào)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(zhuǎn)速90rpm運行20h時逐步提速到130rpm。此條件復(fù)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(dāng)以羧甲基纖維素鈉（CMC）為底物時，復(fù)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(fù)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(zhì)穩(wěn)定性。
　　選擇酸化汽爆、酸、堿和氨水4種預(yù)處理方法對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，復(fù)合菌群以處理后的玉米秸稈為底物進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫試驗的結(jié)果表明，酸化汽爆預(yù)處理玉米秸稈的產(chǎn)氫能力最高。對影響酸化汽爆預(yù)處理效果主要

7、因素的作用機制進(jìn)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(fù)合菌群達(dá)到的最大產(chǎn)氫率為8.7mmol/g。基于對利用玉米秸稈預(yù)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(yù)處理兩段式發(fā)酵產(chǎn)氫操作方法，即預(yù)處理玉米秸稈固體采用復(fù)合菌群發(fā)酵產(chǎn)氫，而預(yù)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