利用秸秆水解液的微生物暗发酵产氢特性及机制研究

发布时间：2021-01-22 01:19

　　秸秆类木质纤维素以其数量大、价格低廉、可再生、获取容易等诸多优点成为暗发酵生物制氢潜在的适宜底物。利用秸秆类物质进行生物制氢可以大大降低氢气的生产成本,使生物制氢在经济上更具有可行性,同时避免了秸秆类物质通常的焚烧处理导致的严重环境污染。然而,秸秆类物质具有高结晶度、高异质性的复杂结构,致使微生物对其的直接降解效率较低。因此,利用富含戊糖、己糖的秸秆水解液进行微生物发酵产氢成为生物制氢产业化应用的重要发展方向。目前,在混合微生物进行秸秆水解液发酵产氢过程中,存在着底物降解不充分,产氢效率较低等瓶颈问题,严重阻碍了秸秆水解液产氢的生产规模应用。另一方面,对秸秆水解液利用过程中的微生物产氢分子机制亦不清楚,难以从理论层面指导实际产氢工艺的运行过程。基于此,本研究考察了种泥预处理和发酵温度对不同类型混合微生物利用秸秆水解液产氢过程的影响。为提高系统的底物降解率与产氢能力,采用对秸秆水解液具有高效降解、产氢能力的菌株Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum W16对混合微生物利用秸秆水解液产氢过程进行了生物强化。通过扩增片段长度多态性（AFLP）和... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：165 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
第1章 绪论
    1.1 课题背景
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 研究的目的及意义
    1.2 氢能与生物制氢技术
        1.2.1 氢能的优越性及发展过程
        1.2.2 氢能的制取方法
    1.3 发酵法生物制氢技术
        1.3.1 发酵产氢机理与类型
        1.3.2 发酵产氢微生物
        1.3.3 发酵细菌氢化酶及其产氢调控
        1.3.4 发酵产氢过程影响因素
    1.4 秸秆类木质纤维素产氢
        1.4.1 秸秆类木质纤维素结构组成与预处理
        1.4.2 秸秆类木质纤维素产氢研究现状
    1.5 生物制氢分子生态学研究现状
        1.5.1 变性梯度凝胶电泳技术
        1.5.2 扩增片段长度多态性技术
        1.5.3 热不对称交错 P C R 技术
    1.6 本课题主要研究内容及技术路线
第2章 试验材料与方法
    2.1 试验材料
        2.1.1 试验菌种和产氢种泥
        2.1.2 试验底物
    2.2 实验试剂与仪器设备
        2.2.1 主要试剂
        2.2.2 主要引物
        2.2.3 主要试剂盒
        2.2.4 主要仪器设备
    2.3 试验方法
        2.3.1 种泥与秸秆的预处理
        2.3.2 培养基配制及间歇培养试验
        2.3.3 化学分析方法
        2.3.4 产氢动力学分析
        2.3.5 核酸提取纯化与克隆
        2.3.6 微生物群落结构分析
        2.3.7 菌株 W16 [FeFe] - 氢化酶基因簇的克隆
        2.3.8 菌株 W16 [FeFe] - 氢化酶基因转录表达
        2.3.9 AFLP （扩增性片段长度多态性）试验
        2.3.10 生物信息学分析
第3章 混合微生物利用秸秆水解液发酵产氢影响因素
    3.1 引言
    3.2 种泥预处理对秸秆水解液发酵产氢的影响
        3.2.1 生物气累积与氢气产量
        3.2.2 产氢过程动力学分析
        3.2.3 液相末端产物组成
        3.2.4 微生物群落结构特征
        3.2.5 微生物种群鉴定与功能分析
        3.2.6 末端 pH 、生物量、底物利用、氢气产量与平均产氢速率
    3.3 发酵温度对秸秆水解液发酵产氢的影响
        3.3.1 生物气累积与氢气产量
        3.3.2 产氢过程动力学分析
        3.3.3 液相末端产物组成
        3.3.4 微生物群落结构特征
        3.3.5 微生物种群鉴定与分析
        3.3.6 生物量、末端 pH 、底物利用、氢气产量与平均产氢速率
    3.4 70 °C 下其他类型种泥利用秸秆水解液发酵产氢
        3.4.1 生物气累积与氢气产量
        3.4.2 产氢过程动力学分析
        3.4.3 微生物群落结构与种群鉴定
        3.4.4 生物量、末端 p H 、底物利用、氢气产量与平均产氢速率
    3.5 本章小结
第4章 T.t hermosaccharolyticum W16 对混合微生物利用秸秆水解液发酵产氢的生物强化与机制
    4.1 引言
    4.2 菌株 W 16 对混合微生物利用秸秆水解液产氢的生物强化
        4.2.1 生物气累积量与氢气产量
        4.2.2 液相末端产物组成
        4.2.3 微生物群落结构特征
        4.2.4 末端 p H 、底物利用，氢气产量和平均产氢速率
    4.3 AFLP 技术解析 T.thermosaccharolyticum 类型微生物对秸秆类物质的降解机制
        4.3.1 菌株基因组 DNA 的提取
        4.3.2 基因组 DNA 的 EcoRI/MseI双酶切
        4.3.3 EcoRI / MseI 双酶切产物的预扩增与选择性扩增
        4.3.4 扩增产物的 AFLP 指纹图谱多态性分析
        4.3.5 AF LP 指纹图谱条带测序分析
    4.4 T.thermosaccharolyticum木质纤维素降解基因序列分析
        4.4.1 木质纤维素降解基因的 PCR 扩增
        4.4.2 纤维素降解基因的序列比较分析
        4.4.3 半纤维素降解基因簇的序列比较分析
    4.5 本章小结
第5章 T.thermosaccharolyticum W16 [FeFe]- 氢化酶基因簇克隆与转录表达
    5.1 引言
    5.2 [ FeFe]-氢化酶 hyd 基因簇的克隆、鉴定与分析
        5.2.1 基因保守区克隆
        5.2.2 基因全长克隆
        5.2.3 核酸序列分析
        5.2.4 编码蛋白序列分析与特性预测
        5.2.5 基因功能区与编码蛋白保守区分析
    5.3 高效产氢菌 W16 [ FeFe]-氢化酶 hfs基因簇的克隆与分析
        5.3.1 基因保守区克隆
        5.3.2 基因全长克隆
        5.3.3 核酸序列分析
        5.3.4 编码蛋白序列分析与特征预测
        5.3.5 基因功能区与编码蛋白保守区分析
    5.4 不同气相条件下菌株 W16 发酵产氢与关键氢化酶基因表达
        5.4.1 气相组成
        5.4.2 生物气累积与氢气产量
        5.4.3 氢气产生速率与生物量增长趋势
        5.4.4 液相末端产物组成
        5.4.5 重要氢化酶基因转录表达
        5.4.6 pH 、底物利用、氢气产量和最大产氢速率
    5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历


【参考文献】：
期刊论文
[1]短小芽孢杆菌碱性蛋白酶基因启动子的克隆、鉴定及其应用[J]. 杨春晖,王海燕.  遗传. 2007(07)
[2]生物制氢研究进展（Ⅰ） 产氢机理与研究动态[J]. 柯水洲,马晶伟.  化工进展. 2006(09)
[3]厌氧发酵法生物制氢的研究现状和发展前景[J]. 卢文玉,刘铭辉,陈宇,闻建平.  中国生物工程杂志. 2006(07)
[4]2004年世界能源发展总态势[J]. 顾钢,马驰.  国际石油经济. 2005(02)
[5]世界及中国能源结构[J]. 金晶.  能源研究与信息. 2003(01)
[6]纤维素类废弃物的综合利用[J]. 李日强,席玉英,曹志亮,韩文辉,刘继青.  中国环境科学. 2002(01)

博士论文
[1]乙醇型发酵群落分析及产乙醇杆菌功能基因表达研究[D]. 赵鑫.哈尔滨工业大学 2011
[2]高效利用玉米秸秆的产氢菌种及其产氢性能研究[D]. 曹广丽.哈尔滨工业大学 2010
[3]产氢—产乙醇细菌群落结构与功能研究[D]. 邢德峰.哈尔滨工业大学 2006



本文编号：2992258