玉米秸秆低温甲烷发酵高效菌系的筛选及发酵效果研究

发布时间：2020-05-01 12:42

【摘要】：我国农作物种植面积巨大,植物秸秆产量丰富。植物秸秆是一种富含多种有机物的生物质资源,但我国对秸秆利用程度低下。秸秆直接丢弃与燃烧仍是农户处理秸秆的主要方式,不仅在资源上造成严重浪费,而且会带来严重的环境污染。利用秸秆进行甲烷发酵不仅可以解决秸秆的处理问题,同时也可将秸秆中的能量转换成清洁能源,在废物处理及能源利用领域都具有重要意义。甲烷作为一种可再生的清洁生物质能源,有着广阔的发展前景,目前已得到全世界广泛的关注和应用。但在甲烷发酵过程中仍存在一些普遍性问题,如发酵周期长、产气量小、发酵体系不稳定等,而低温下进行的甲烷发酵,这些问题则更加突出。添加高效的微生物菌群,改善菌群环境可明显的提高甲烷发酵的性能。本研究以不同生境的样品作为接种物,筛选出玉米秸秆低温甲烷发酵的优良接种物,并对底物的总固体含量与碳氮比进行了优化。此外,为了进一步强化玉米秸秆低温甲烷发酵,本研究对筛选出的最佳接种物的菌群进行了富集强化,并分析了富集强化后菌群的发酵效果,在此基础上使用高通量测序技术解析了不同样品中菌群群落组成与结构。取得的研究结果如下:(1)采集扎龙湿地污泥、群力湿地污泥、中温发酵沼液和牛粪四种不同环境样品作为接种物,在20°C进行玉米秸秆牛粪甲烷发酵,通过测定产气量、甲烷含量和VFA等参数发现,以牛粪作为接种物的甲烷发酵效果最佳。该组启动时间早于其他组,日产气量峰值为310m L,总产气量为1896mL,甲烷含量峰值为40.8%,总产甲烷量为525mL。对牛粪组发酵前后的菌群进行分析发现,接种牛粪接种物后在细菌群落上形成的优势类群为拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)和螺旋体门(Spirochaete),并以Firmicutes和Bacteroidetes占主要优势地位;在古菌群落结构上形成的优势菌群在目的分类水平主要为甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、Miscellaneous Crenarchaeotic Group(MCG)和甲烷微菌目(Methanomicrobiales),并以Methanomicrobiales为主,在属的分类水平上主要为甲烷鬃菌属(Methanosaeta)、MCG和甲烷八叠球菌属(Methanosarcina),其中Methanosaeta占主要地位。(2)在20°C下对玉米秸秆甲烷发酵条件进行优化,从碳氮比试验中发现,发酵最优碳氮比为25:1。此条件下日产气量峰值为123m L,总产气量为1168mL,甲烷含量最高值为32%。从总固体含量试验中发现,发酵最佳总固体含量为10%,日产气量峰值为123mL,总产气量为1168m L,甲烷含量最大值为32%。综合两组试验结果确定,玉米秸秆甲烷发酵的最优条件为总固体含量为10%,碳氮比为25:1。(3)使用牛粪组发酵样品进行产甲烷菌群富集,传代6代后获得稳定菌群,甲烷含量为45%,产气量为46mL。菌群分析的结果表明,Firmicutes微生物为优势细菌,甲烷粒菌属(Methanocorpusculum)与Candidatus_Methanomethylophilus为主要的古菌属。使用富集菌群作为接种物进行甲烷发酵,其发酵效果较接种牛粪的甲烷发酵效果在各方面均有提高,在总产气量方面提高9%,甲烷总量提高30%左右。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216.4

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