水生植物的瘤胃微生物转化

发布时间：2020-10-24 01:49

　　 水生植物被广泛用于富营养化严重的湖泊、河流等水体的修复,但其生长迅速且难以控制,如处理不当容易造成水体的二次污染。另一方面,利用厌氧生物技术能够将水生植物作为一种可再生的生物质实现转化,不仅避免了二次污染问题,还可以提供氢气、有机酸和甲烷等产品,具有较好的环境和经济效益。本论文在全面的实验研究和深入的理论分析基础上,解析了水生植物的瘤胃微生物厌氧降解过程,并对其降解和预处理工艺学进行了优化。主要研究内容和结果如下: 1、利用红外光谱、X射线光电子能谱和凝胶色谱研究了水生植物(以美人蕉为例)的降解过程。研究结果表明,水解过程是决定降解效率的限速步骤;利用红外光谱能够定性和半定量地表征美人蕉组分纤维素、半纤维素和木质素的降解过程;美人蕉表面的主要成分木质素的分解主要发生在厌氧转化过程的初期。 2、利用序批式试验,结合部分因子设计和响应曲面法,优化了影响美人蕉降解的关键生态因子和工艺条件,并探讨了不同因子之间的关系。部分因子设计和响应曲面相结合能够有效地强化美人蕉的瘤胃微生物降解过程,底物浓度和pH对水生植物的降解影响最为显著。美人蕉降解的优化条件为:pH 6.6和底物浓度8.2g VS/L,而VFA生成的优化条件为:pH 6.7和底物浓度6.9g VS/L。 3、利用响应曲面法研究优化了芦苇的汽爆预处理条件,并借助于紫外光谱、X射线光电子能谱和热重分析的结果探讨了其作用机制。优化条件下得到的最大产物生成速率为0.485g COD/L/d,条件为:含水率18%,汽爆压力1.6 MPa,时间8.0 min;得到的最大产物产率0.432g COD/g,条件为:含水率20%,汽爆压力1.8 MPa,时间8.0 min。汽爆处理破坏了芦苇的致密结构,增加了原料的比表面积和吸附能力,从而提高了芦苇的生物转化效率和速率。 4、研究了重金属对蒲草厌氧转化的影响。适量的重金属增加了瘤胃微生物转化蒲草的效率,特别是在Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)分别为1.6、2.4和4.0 mg/L时;高剂量的重金属浓度对瘤胃微生物中有抑制作用,尤其是产甲烷细菌耐毒性最差;三种重金属按毒性影响大小排序为:Cd(Ⅱ)＞Cu(Ⅱ)＞Cr(Ⅵ)。 5、研究了表面活性剂存在时美人蕉的厌氧酸化过程。响应曲面法分析结果表明,在美人蕉和吐温80浓度分别为6.3g VS/L和2.0 ml/L时,最大有机酸产率为0.147g/g VS,吐温80对酸化产率的影响远大于底物浓度;吐温80可能通过破坏美人蕉的结构,降低木质素对水解细菌和酶的非再生性吸附,从而提高有机酸的产率。 6、建立了利用近红外光谱测定水生植物木质素、干重、挥发性物质和生物降解组分的新方法。利用近红外反射光谱分析技术和偏最小二乘回归法优化了光谱范围和光谱预处理方法,建立了近红外光谱测定水生植物中木质素、干物质、挥发性物质含量以及生物降解组分的校正模型。利用10个水生植物样品对所建模型的实际预测效果进行了验证,预测值与化学值的相关系数分别为0.959、0.859、0.893和0.821。结果表明,近红外光谱技术可以快速、准确地测定水生植物组成含量,能够用于评价水生植物的生物降解性。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2008
【中图分类】：X703
【部分图文】：

生长在水体中的美人蕉及粉碎后的粉末

2.2.2瘤胃微生物及缓冲盐溶液瘤胃微生物作为微生物源，瘤胃液取自两头屡管山羊，屡管山羊每天上下午各喂料一次(图2一2)。连续取瘤胃液时间间隔不少于巧天，每次均在上午饲喂约3小时后再进行操作。用导管从山羊瘤胃内取出瘤胃液和食物残渣混合物后，在CO:保护下迅速转移至生理盐水瓶中，密封后保温转移至实验室，在从或COZ保护下经4层纱布过滤，弃去残渣，收集瘤胃液备用(图2一2)。图2一2屡管山羊及新取的瘤胃液试验中使用的缓冲盐为8叭碳酸氢钠。其它瘤胃微生物生长需要的组分，如磷酸二氢钾，氯化馁，氯化钙和氯化镁根据实验设计加入。为了保持缓冲液中较低的氧化还原电势，每升缓冲液中添加0.1739盐酸半肤氨酸)2.2.3实验条件所有实验在 250mL血清瓶中进行

牡谌?滤??参铩?廊私堆嵫跎?镒???痰奈⒐劢馕?在3矢1“C。生成的气体利用排水法收集。如图3一1所示图3一l序批式厌氧发酵装置2.2测定分析方法固液混合物利用离心机在3000转/分钟离心10分钟，固体残渣再利用0.9%的氯化钠溶液洗涤，然后再次在3000转/分钟下离心10分钟，如此重复3次。剩余残渣在40oC真空干燥，在干燥器内保干，用于红外光谱的测定。上层浊液部分在12000转/分钟离心10分钟，上清液再过0.45微米的滤膜，滤液用于溶解性糖、挥发性有机酸、凝胶色谱分析等。厌氧发酵过程中生成的气体成分、体积、挥发性有机脂肪酸含量参照前文所述 (2.2.4)。红外光谱:固体样品经研磨后，再经红外灯烘干后，和溟化钾晶体混合研磨
【引证文献】

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本文编号：2853845