甲烷氧化混合菌群的富集培养及其治理瓦斯工艺研究

【摘要】：甲烷氧化菌能在温和条件下特异的利用甲烷,具有应用于甲烷减排和煤矿瓦斯治理的潜力。本论文在对我国典型煤矿土壤的甲烷氧化菌进行分子生态学分析的基础上,确定甲烷氧化混合菌的富集培养策略,获得高效利用甲烷的稳定混合菌群,对其特性和功能进行研究,实现大规模发酵培养,并在实验室和煤矿现场进行了瓦斯治理实验。 用多种分子生态学方法解析了瓦斯煤矿土壤中的甲烷氧化菌及相关微生物的组成信息。该样品含有大量的甲烷氧化菌及甲基氧化菌,其中甲烷氧化菌以Ⅰ型为主,Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅹ型甲烷氧化菌的含量分别为78.6%、7.1%和14.3%。 分别以甲烷气和人工瓦斯气作为唯一碳源对土壤样品进行好氧选择性传代培养。富集过程中甲烷和乙烷的消耗能力得到显著强化,总细菌的多样性逐渐减少,Ⅰ型甲烷氧化菌则得到富集,20代以后菌群结构和甲烷去除能力趋于稳定。 研究了两种气体条件富集的混合菌群的特性,包括菌体形态、生长特性、代谢特性和微生物群落结构。驯化后Ⅱ型甲烷氧化菌数量增加,人工瓦斯气富集的混合菌菌群更丰富。混合菌比纯菌的甲烷消耗能力更强,且无代谢产物积累。菌群间的协同作用能有效避免产物抑制,有利于菌群结构和功能的稳定。 对两种条件得到的混合菌的功能进行了系统分析。其在甲烷浓度为3~50%时都有较好的去除效果,最高可达241 ml CH4 h~(-1) OD660~(-1) (L culture)~(-1)。在20~42oC都能有效的去除甲烷。对H_2S、CO和SO_2等毒性气体有很强的耐受性。混合菌保藏可用4oC充甲烷密封保存法、-80oC冻存菌体法和-80oC添加石蜡油冻存法。 以甲烷气富集的混合菌为对象,研究了甲烷氧化混合菌的大规模发酵培养。成功开展了5L-300L和5L-600L的放大发酵实验。混合菌在放大培养时,生长速度稳定,且随着发酵逐级放大,消耗甲烷能力以及菌群结构都能够保持稳定。 在实验室模拟煤层、生物过滤实验中研究混合菌去除甲烷的能力,并在河南三个矿井进行现场中试,将制备的菌液注入煤层并达饱和,甲烷去除效果显著,说明富集的甲烷氧化混合菌有在煤矿中治理瓦斯的应用潜力。 【关键词】：甲烷氧化菌 甲烷单加氧酶 分子生态学 发酵培养 煤矿瓦斯治理
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X172
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 第1章 文献综述13-39
• 1.1 课题背景13-14
• 1.2 甲烷氧化菌及甲烷单加氧酶14-24
• 1.2.1 甲烷氧化菌的分类及特性16-20
• 1.2.2 甲烷单加氧酶的基因与蛋白20-22
• 1.2.3 甲烷单加氧酶的催化特性22-24
• 1.3 甲烷氧化菌的应用研究热点24-31
• 1.3.1 甲烷氧化菌的培养工艺研究25-27
• 1.3.2 甲烷氧化菌的工业生物催化研究27-28
• 1.3.3 甲烷氧化菌的生物修复研究28-29
• 1.3.4 甲烷氧化菌及甲烷单加氧酶的基因工程研究29-30
• 1.3.5 甲烷氧化菌的分子生态学研究30-31
• 1.4 甲烷氧化菌在工业应用中存在的问题31-33
• 1.5 应用甲烷氧化菌治理煤矿瓦斯33-36
• 1.5.1 甲烷氧化菌在温室气体减排中的应用33-34
• 1.5.2 煤矿瓦斯治理现状及生物治理的可行性34-36
• 1.6 论文的主要研究内容36-39
• 1.6.1 研究内容36-37
• 1.6.2 研究框架37-39
• 第2章 从煤矿土壤富集培养甲烷氧化混合菌39-64
• 2.1 引言39-40
• 2.2 实验材料与方法40-45
• 2.2.1 DNA 提取和纯化40
• 2.2.2 PCR 扩增16S rRNA 和功能基因40-41
• 2.2.3 核酸限制性片段长度多态性分析41
• 2.2.4 变性梯度凝胶电泳41-42
• 2.2.5 DNA 序列分析42
• 2.2.6 培养基及富集条件42-43
• 2.2.7 甲烷、乙烷的检测方法43-45
• 2.3 煤矿土壤的特性分析45-47
• 2.4 煤矿土壤中甲烷氧化菌群落的功能基因解析47-54
• 2.4.1 基于功能基因pmoA 的 RFLP 分析47-50
• 2.4.2 基于功能基因mmoX 的RFLP 分析50-51
• 2.4.3 基于功能基因mxaF 的RFLP 分析51-54
• 2.5 不同条件从煤矿土壤富集甲烷氧化混合菌54-63
• 2.5.1 对甲烷和乙烷的消耗能力的变化55-57
• 2.5.2 富集过程的细菌群落变化57-59
• 2.5.3 富集过程的I型甲烷氧化菌群落变化59-61
• 2.5.4 富集过程的II型甲烷氧化菌群落变化61-63
• 2.6 本章小结63-64
• 第3章 甲烷氧化混合菌的特性分析64-90
• 3.1 引言64-65
• 3.2 实验材料与方法65-67
• 3.2.1 菌种及培养方法65
• 3.2.2 显微镜和扫描电镜观察65
• 3.2.3 MMO 酶活测定65-66
• 3.2.4 代谢分析66-67
• 3.3 甲烷氧化混合菌的微生物群落分析67-81
• 3.3.1 基于16S rRNA 的RFLP 分析67-72
• 3.3.2 基于功能基因pmoA 的 RFLP 分析72-75
• 3.3.3 基于功能基因mmoX 的RFLP 分析75-77
• 3.3.4 基于功能基因mxaF 的RFLP 分析77-81
• 3.4 甲烷氧化混合菌的生长特性研究81-86
• 3.4.1 菌体形态81-83
• 3.4.2 生长状况与干重曲线83-85
• 3.4.3 甲烷消耗与MMO 酶活85-86
• 3.5 甲烷氧化混合菌的代谢分析86-87
• 3.6 甲烷氧化混合菌的协同作用机理87-88
• 3.7 本章小结88-90
• 第4章 甲烷氧化混合菌的功能分析和保藏90-103
• 4.1 引言90-91
• 4.2 实验材料与方法91
• 4.2.1 评价方法91
• 4.2.2 保藏方法91
• 4.3 对不同浓度甲烷的消耗能力91-93
• 4.4 不同温度下对甲烷的消耗能力93-95
• 4.5 对毒性气体的耐受性95-97
• 4.6 对煤矿瓦斯中甲烷的去除能力97-98
• 4.7 甲烷氧化混合菌的保藏方法研究98-101
• 4.8 本章小结101-103
• 第5章 甲烷氧化混合菌的大规模发酵研究103-120
• 5.1 引言103-104
• 5.2 实验方法与装置104-108
• 5.2.1 种子培养104
• 5.2.2 5L 发酵罐培养104-105
• 5.2.3 40L-300L 二联发酵罐105-107
• 5.2.4 100L-600L 二联发酵罐107-108
• 5.3 混合菌在5L 发酵罐的培养研究108-112
• 5.3.1 生长特性108-110
• 5.3.2 甲烷去除能力110-111
• 5.3.3 菌群变化111-112
• 5.4 混合菌放大发酵研究112-119
• 5.4.1 5L-40L-300L 放大发酵112-113
• 5.4.2 5L-100L-600L 放大发酵113-119
• 5.5 本章小结119-120
• 第6章 甲烷氧化混合菌治理煤矿瓦斯应用研究120-130
• 6.1 引言120-121
• 6.2 在实验室模拟煤层中去除甲烷121-122
• 6.3 应用生物滤器去除甲烷122-124
• 6.4 河南煤矿掘进煤层注入试验124-127
• 6.4.1 禹州市军阳矿业矿井中试124-126
• 6.4.2 禹州市神火集团矿井中试126-127
• 6.4.3 河南永锦能源有限公司矿井中试127
• 6.5 甲烷氧化混合菌治理瓦斯的前景分析127-129
• 6.6 本章小结129-130
• 结论130-134
• 参考文献134-149
• 致谢149-150
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果150-151

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

煤矿瓦斯灾害事故频发的原因及其对策分析    卢平

利用微生物技术治理煤矿瓦斯的研究展望    陈东科;王璐;金龙哲;宋存义;

瓦斯爆炸机理及预防措施    张丽;周玲玲;

固定化Methylomonas　Z201细胞：甲烷单加氧酶的活性和稳定性    夏仕文，尉迟力，李树本

甲烷氧化细菌Methylosinus trichosporium 3011甲醇累积条件的研究    尉迟力,缪德埙,李树本,索继栓,马清泉

低浓度煤层气提纯的研究现状    聂李红;徐绍平;苏艳敏;刘淑琴;

Methylosinus trichosporium OB3b整细胞催化丙烯制备环氧丙烷的工艺条件    苏涛;韩冰;杨程;吴昊;江皓;李信;邢新会;

Purification of total DNA extracted from activated sludge    Edward K H LAM;

浓度和流量对瓦斯加热氧化净化率的影响    郭西山,王晓刚,李晓池

治理煤矿瓦斯爆炸的微生物技术    柯为

甲烷氧化菌的微生态解析及其应用基础研究    韩冰

好氧—厌氧耦合体系污泥减量化的机理研究及工程应用    于安峰

甲烷氧化菌（Methylosinus trichosporium）OB3b异源蛋白表达系统的初步研究    苏涛

中小煤矿的瓦斯爆炸危险性不比大煤矿大    王宝兴,经建生

煤矿瓦斯燃烧是怎样引起的?    王宝兴,经建生

瓦斯断电仪不是预防煤矿瓦斯爆炸的必要措施    王宝兴,经建生

煤矿瓦斯爆炸原因的几点思考    龚允怡

甲烷氧化菌的生态学研究方法    崔树军;张建云;谷立坤;和晶亮;武秀琴;张庆甫;

丟糟复合微生物菌剂的菌种选择及液态培养条件研究    明红梅;董瑞丽;周健;方春玉;兰东;

甲酸钠促进厌氧生物降解蔗糖废水的研究    糜奕;徐文英;

低成本乳酸菌液配方筛选及其发酵效果研究    曹炎;李美子;吴明根;傅民杰;

土壤反硝化微生物研究进展    周志峰;王明霞;

泥炭固体发酵生产单细胞蛋白研究    王战勇;苏婷婷;

甲烷对DAMO微生物富集培养的影响研究    何崭飞;蔡琛;沈李东;徐向阳;郑平;胡宝兰;

充分利用瓦斯 促进我国减排目标实现    邓鸢;陈忠宁;

矿用智能瓦斯传感器的研制    马宏伟;杨小刚;张旭辉;

我国煤矿井下煤层气抽采利用现状及存在问题分析    林柏泉;翟成;

甘蔗糖蜜资源化应用现状分析及前景展望    姚毅;曾鸿鹄;朱义年;谭荻娜;

内循环三相流化床生物高效降解炼油污水技术研究    秦统福

吸附法浓缩煤层气甲烷研究    刘聪敏

煤矸石和煤层气循环流化床混烧关键影响因素研究    陈艳容

褐煤基颗粒活性炭的绿色制备及其变压吸附分离CH_4/N_2的性能研究    刘立恒

准好氧填埋场CH_4减排和加速稳定化的微生物学机制研究    张维

露天煤矿排土场土壤微生物生态特征及土壤质量评价    闫晗

有机相微生物活细胞催化羰基还原反应的研究    蒋群

甾体药物中间体HMPDD的C_（1,2）位微生物脱氢工艺和动力学研究    王普

微生物法还原羰基化合物制备手性药物中间体的研究    欧志敏

三类生物冶金微生物菌种的选育及其与矿物作用研究    周吉奎

干扰—沉积物再悬浮对浮游细菌群落结构和多样性的影响    郭亮

亲油缓释肥料的制备及在溢油污染潮间带生物修复中的应用    吴亮

煤体中爆炸应力波及爆破作用的试验研究    王卫超

垃圾生物覆盖土对填埋场甲烷减排的机理研究    王静

低浓度煤层气液相催化氧化反应研究    雷鹏

若尔盖自然湿地CH_4排放及不同利用方式下温室气体通量估算    李丽

草原湿地土壤细菌和氨氧化细菌群落结构分析    刘芳

罗汉果总苷的微生物转化研究    司鹏鹏

氧化装置进出口乏风分配系统数值模拟与优化设计    唐帅

氧化床气流通道热态阻力特性数值研究    陈香春

甲基单胞菌整细胞催化环氧丙烷的连续生物合成    辛嘉英,崔俊儒,陈建波,李树本,夏春谷

二氧化碳存在下甲烷氧化细菌催化甲烷生物合成甲醇    崔俊儒,辛嘉英,牛建中,夏春谷,李树本

甲烷生物催化氧化制甲醇──固定化细胞催化剂的制备及其催化性能的研究    尉迟力,夏仕文,李树本

高浓度阿维菌素生产废水治理与资源回收技术研究    陈元彩,龙世明,肖锦

控制瓦斯涌出防止爆炸事故    刘占文

我国煤层气储层研究现状及发展趋势    蔚远江,杨起,刘大锰,黄文辉

我国煤矿瓦斯灾害防治对策    胡千庭,蒋时才,苏文叔

利用微生物技术治理煤矿瓦斯的研究展望    陈东科;王璐;金龙哲;宋存义;

矿井抽放煤层气中甲烷的变压吸附提浓    辜敏;鲜学福;

降解直链烷基苯磺酸钠(LAS)菌株的筛选及其降解质粒的研究    张蔚文,张灼

煤层甲烷变压吸附浓缩的研究    杨明莉

渤海微生物自然混合菌群降解20号重柴油中正烷烃的研究    孙修勤,姚乔尔,卢颖

利用地表甲烷氧化菌异常勘探天然气藏    向廷生,周俊初,袁志华

环境中纤维素降解菌群的筛选与降解活性分析    樊青青;刘艳丽;罗亚田;付蓉;

产生物表面活性剂石油降解菌株筛选及降解特性    刘海燕;丁存宝;贾长虹;张俊杰;

产表面活性剂的石油降解菌降解特性研究    郑金秀;彭祺;张甲耀;赵磊;赵晴;李艺婷;

高效稳定纤维素分解混合菌群的筛选及分解特性研究    孙宝魁;王东伟;

头孢拉定降解菌的驯化、筛选及降解性能    曾丽璇;曾宝强;张秋云;

光合细菌混合菌群产氢影响因素    齐云阶;张国欣;崔宝臣;李睿;杨鹤红;

混合菌群的筛选及其与白腐真菌串联降解石油的效果初探    胡凌燕;孙东平;邵涛;陈纪昆;周伶俐;

正交实验优选光合细菌混合菌群产氢的最佳条件    崔宝臣;张国欣;侯博;邵姝媛;

混合菌群对石油烃的协同降解作用研究    马挺;李丹;李国强;梁凤来;刘如林;

高效石油降解菌群的构建及降解特性的研究    何丽媛;唐霞;党志;易筱筠;

混合菌对石油的降解及其降解性能的研究    何丽媛;党志;

六氯苯厌氧降解混合菌群群落结构分析    萨如拉;贾晓珊;杨小毛;

甲烷氧化作用的分子地球化学记录    于晓果;

混合菌群用于木质纤维素糖化的实验研究    冯玉杰;李冬梅;张秋桌;

海洋沉积物来源的混合菌S6降解苯并[a]芘的研究    吴奕瑞;胡忠;伦镜盛;

混合菌群对实际染料废水的脱色与降解    张金平;阚振荣;

SrCo_(0.4)Fe_(0.6)O_(3-δ)掺杂ZrO_2致密透氧膜的制备其在甲烷部分氧化制合成气反应的应用研究    顾学红;杨丽;陈长林;徐南平;时钧;

甲烷氧化偶联制乙烯催化剂    苑慧敏;张永军;张志翔;王凤荣;

抓饲料安全，如何才能“纲举目张”    安徽省饲料工作办公室 王明辉

我国煤矿乏风甲烷氧化技术达世界水平    王羉声

日本发现天然气变甲醇廉价路线    唐茵

风排瓦斯化害为利    赵永新

逼出来的技术创新    赵华

驯化“小精灵” 专啃“硬骨头”    本报记者 高杰

化“风”为宝 变废成钱    厉华

火星大气中发现甲醛化学指纹    何屹

勇攀科学高峰的人    刘文

碘催化氧化甲烷制甲醇催化剂    石关

甲烷氧化混合菌群的富集培养及其治理瓦斯工艺研究    江皓

混合菌群共培养对偶氮染料的协同脱色及降解的研究    尹亮

机油降解菌群的驯化及其活性与结构分析    王亮

利用活性污泥混合菌群合成聚羟基烷酸脂的研究    陈玮

利用活性污泥混合菌群合成聚羟基烷酸脂的研究    陈玮

甲苯氧化甲基化制苯乙烯催化剂研究    董新法

天然气直接催化转化制乙烯催化剂及反应工艺研究    王开

甲烷部分氧化同时制取乙烯和合成气的研究    张海丽

甲烷均相选择氧化和多相氧化羰基化反应催化剂的研究    袁强

中温固体氧化物燃料电池新型阳极及阴极材料研究    吕洪

高PHB含量的甲烷氧化混合菌群筛选及开放培养    姜丹

混合菌处理乳制品废水的效能研究    黄媛媛

海洋柴油降解菌性能的优化及其生物载体的研究    施展

混合菌群FF对活性黑5的脱色降解研究    范凤霞

甲烷氧化菌素的生物合成及抗氧化活性研究    周琦琼

聚乙烯醇生物降解性能的研究    董丽娟

高效溶藻细菌混合溶藻特性的初步研究    周瑞

纤维素厌氧降解菌群的筛选及其降解性能分析    高霏

利用混合菌群合成聚羟基烷酸酯工艺条件优化    张运海

光合细菌产氢基质代谢实验研究    王毅