餐厨垃圾沼气发酵接种物驯化过程中水解酶活和微生物群落的变化研究

发布时间：2020-07-16 02:18

【摘要】：餐厨垃圾的处理成为全球性的问题,用餐厨垃圾进行沼气发酵,不仅可以改善环境,而且可以解决全球能源短缺的问题。但是餐厨垃圾在沼气发酵过程中存在运行不稳定、启动时间长、易酸化等问题。接种物的质量对于沼气发酵的启动和运行至关重要。为了提高餐厨垃圾沼气发酵运行的稳定性,本研究通过投加餐厨垃圾和磷酸盐驯化接种物,动态监测驯化过程日产气量、水解酶活性和微生物群落结构的变化。并选取不同驯化阶段的接种物进行餐厨垃圾沼气发酵,探究不同驯化接种物对餐厨垃圾沼气发酵产气潜力的影响。通过比较不同接种物的水解酶活性、微生物群落以及接种物用于餐厨垃圾沼气发酵的产气潜力,寻找最佳接种物的驯化条件,为今后餐厨垃圾沼气发酵稳定运行奠定理论和实践基础。主要研究结论如下:1、研究驯化过程中日产气量的变化,发现随着投料量和磷酸盐浓度增高驯化也加快,但投料量和磷酸盐浓度增高到一定程度又会影响驯化的稳定运行。在既要提高驯化的速度又要保证驯化稳定性的前提下,添加1360mg/L磷酸盐,且每天投料1g驯化的方法最佳。2、研究接种物对餐厨垃圾沼气发酵产气潜力的影响,发现与未驯化的接种物相比,采用经过磷酸盐和餐厨垃圾驯化过的接种物作为餐厨垃圾沼气发酵的接种物更能保证发酵的顺利运行。并且投料量、磷酸盐浓度以及驯化时间均显著地影响接种物的产气潜力。选取驯化处于稳定运行阶段的接种物用于餐厨垃圾发酵最佳。比较本研究的13种接种物的产气潜力,发现添加1360mg/L磷酸盐,每天投料1g驯化到第15天的接种物能加快餐厨垃圾的启动,提高产气效率。3、研究驯化过程中水解酶活性的变化,发现添加餐厨垃圾和磷酸盐驯化接种物能提高接种物中蛋白质、糖化型淀粉、纤维素和脂肪等水解酶的活性。并且投料量、磷酸浓度以及驯化时间均会显著地影响接种物中水解酶活性。比较本研究的13中接种物的水解酶活性,发现添加1360mg/L磷酸盐,每天投料1g驯化到第8天至15天的水解酶活性较高。4、采用Illumina MiSeq高通量测序技术分析不同驯化环境下微生物群落变化,得出以下结论:(1)在投加餐厨垃圾和磷酸盐驯化的条件下,微生物群落的优势菌群有Bacteroidetes、Proteobacteria、Firmicutes、Euryarchaeota、Chloroflexi;亚优势菌群有Spirochaetes、Planctomycetes、OP3、Fusobacteria、Crenarchaeota、Synergistetes;产甲烷菌有Methanobacterium、Methanocorpusculum、Methanosaeta、Methanosarcina、Methanocalculus;(2)餐厨垃圾和磷酸盐不仅能提高微生物群落的多样性,而且能促进一些与餐厨垃圾降解密切相关的微生物生长,例如能促进Bacteroidetes、Chloroflexi、Firmicutes、Fusobacteria、Synergistetes等优势菌群的生长繁殖,也能促进Methanobacteria、Methanomassiliicoccaceae等产甲烷菌的生长繁殖,而且还能促进Clostridium、Bacteroides、Butyrivibrio、Proteiniclasticum、Sedimentibacter等水解细菌的生长繁殖;(3)投料量、磷酸盐的浓度以及驯化时间均会影响微生物群落的多样性和组成。驯化时间越长,微生物群落的组成与原始微生物群落的组成之间的差异越大,并且微生物群落朝着适应降解餐厨垃圾的方向改变;投料量和磷酸盐浓度越高越能加快微生物群落组成的变化。比较实验中这13中接种物的微生物群落,发现投加1360 mg/L磷酸盐,每天投1g餐厨垃圾驯化接种物,能在短期内获得多样性较高的微生物群落;(4)OTU数量、Firmicutes和Fusobacteria的相对丰度分别与日产气量之间呈正相关,说明微生物越丰富越能提高餐厨垃圾沼气发酵的产气量,同时Firmicutes和Fusobacteria这两种菌群能促进餐厨垃圾沼气发酵;(5)本研究的E2目中未鉴定的菌群可能存在一些与产甲烷相关的微生物。5、研究驯化过程中日产气量变化、水解酶活性的变化和微生物群落结构的变化之间的关,发现日产气量、水解酶活性和微生物群落可以作为驯化接种物好坏的评价指标。当驯化中日产气量趋于平稳,水解酶活性和微生物群落的多样性均处于较高水平时,接种物质量最佳。
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X799;S216.4
【图文】：

过程图,沼气发酵,生化代谢,微生物

第 1 章绪论甲烷阶段的反应过慢，导致大量的 VFAs 累积而不能及时降解，抑制沼气发酵运行。水解酸化阶段反应过慢，产氢产乙酸和产甲烷阶段会因为原料的短缺而减慢反应速率，同样也会抑制沼气发酵运行。因此，沼气发酵的稳定运行需要保持各反应阶段处于一定的动态平衡。

接种物

C8 16 300 850C15 16 300 850C21 16 300 850C44 16 300 850 表示通过添加 680mg/L 磷酸盐和每天投料 0.5g，共投料 32 天驯化接种物，A8、A1A44 分别驯化到第 8 天，15 天，21 天和第 44 天的接种物；B 表示通过添加 1360mg每天投料 1g，共投料 16 天驯化接种物，B8、B15、B21、B44 分别驯化到第 8 天，15第 44 天的接种物；C 表示通过添加 2720mg/L 磷酸盐和每天投料 2g，共投料 8 天驯C8、C15、C21、C44 分别驯化到第 8 天，15 天，21 天和第 44 天的接种物；未驯化没有经过驯化的原始接种物。3 实验装置驯化装置驯化装置参考袁亚阁的设计[82]。如图 2.1 所示，包括水槽，驯化瓶和控分。控制仪上连接水泵维持水槽内的水温均匀。驯化瓶包括进料口，出气口三部分组成，从进料口添加原料，从取样口收集样品。

沼气发酵装置,餐厨垃圾

图 2.2 餐厨垃圾批量沼气发酵装置图Figure2.2 Experimental configuration of batch biogas fermentation of food waste2.1.4 数据分析利用 SPSS19.0 软件进行 Duncan 多重比较分析，采用 Origin 软件绘图。2.2 实验结果与讨论2.2.1 驯化过程中日产气量的变化本研究的 A、B、C 三种驯化方法，在驯化过程中日产气量均随着时间变化而变化，但变化趋势有所差别（见图 2.3）。驯化前 7 天，日产气量是 C＞B＞A，且投料密度和磷酸盐浓度也是 C＞B＞A。说明投料量和磷酸盐的浓度越高越有利于加快接种物驯化达到产气高峰。

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