产甲烷菌群不同发酵阶段菌群分析及发酵条件研究

【摘要】：随着石油、天然气等化石能源日渐枯竭和人们环保意识的不断提高,以食品加工剩余物、农林剩余物和草等制取生物沼气逐渐成为当今世界能源研究的热点之一。提高沼气产率,关键在于研发新型高效生产工艺和构建高效产甲烷复合菌系,而目前人们对产甲烷复合菌系的研究相对较少。本文筛选、构建了一组高效产甲烷复合菌系NYZ,评价了该菌系的稳定性,分析了复合菌系不同发酵阶段的菌群结构,同时研究了复合菌系的沼气发酵条件。(1)产甲烷复合菌系NYZ的筛选、构建及稳定性分析：以来自不同生境条件的自然菌群为基础,借助沼气总产量、沼气日产量和甲烷含量为指标,通过限制性培养技术筛选、构建出一个在中温条件(38℃)下能高效降解巨菌草产沼气的复合菌系NYZ。同时,以发酵过程中发酵液pH值、甲烷含量、沼气日产量、沼气总产量为指标,对该复合菌系在传代过程中的稳定性进行了评价。结果表明：随机选取的3个不同培养代数的复合菌系在沼气发酵过程中,发酵液的pH值、沼气日产量、沼气总产量和甲烷含量的变化趋势相互之间几乎一致,表明该复合系稳定性良好。(2)产甲烷复合菌系NYZ不同发酵阶段菌群结构分析：采用CTAB法提取不同发酵阶段菌群的总DNA,分别用细菌和古菌16S rDNA基因通用引物扩增其保守序列,构建不同发酵阶段产甲烷菌群的16S rDNA文库,挑取阳性克隆子,经验证后测序。序列分析结果显示：前期20个细菌克隆子中13个属于Clostridium sp.、3个属于Treponema sp.、2个属于Prevotella sp.、1个属于Bacteroides sp.、1个属于Citrobacter sp.,分别占整个菌群的65%、15%、10%、5%和5%；后期16个细菌克隆子中7个属于Clostridium sp.、4个属于Uncultured bacterium、2个属于Treponema sp.、1个属于Methanofollis sp.、1个属于Oscillospira sp.、1个属于Uncultured rumen bacterium,分别占整个菌群的43.75%、25%、12.5%、6.25%、6.25%和6.25%；前期12个古菌克隆子中6个属于Methanofollis sp.、2个属于Methanosarcina sp.、2个属于Methanocorpusculum sp.、1个属于Methanobacterium sp.、1个属于unncultured archaeon,分别占菌群的50%、16.7%、16.7%、8.3%和8.3%；后期12个古菌克隆子中5个属于Methanofollis sp.、3个属于Eubacterium sp.、2个属于uncultured archaeon、1个属于Clostridium sp.、1个属于Methanobacterium sp.,分别占菌群的41.7%、25%、16.7%、8.3%和8.3%。(3)产甲烷复合菌系NYZ发酵条件的研究：以产甲烷复合菌系NYZ为研究对象,研究了不同原料、不同接种量、不同温度和不同初始pH值对沼气日产量、沼气总产量、产甲烷量及发酵液pH值的影响。结果表明：复合菌系以新鲜巨菌草为原料其沼气产量及甲烷含量优于以干巨菌草、甘蔗渣、大米草和五节芒为原料；沼气发酵的最佳条件为：温度38℃、初始pH=7.2、接种量5.0%,发酵时间为30天,沼气总产量为707 mL。这些结论丰富和发展了食品加工的理论与应用,为发展以食品加工剩余物、农林剩余物和草等生产沼气提供了理论基础和依据。 【关键词】：产甲烷菌群 厌氧发酵 菌群结构分析 发酵条件分析
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ920.1;TQ221.11
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 引言12-21
• 1.1 研究背景12
• 1.2 沼气工程应用现状12-13
• 1.3 沼气发酵原料13-14
• 1.4 沼气发酵原理14-15
• 1.5 沼气发酵工艺条件15-17
• 1.5.1 发酵原料碳氮比15
• 1.5.2 厌氧活性污泥15-16
• 1.5.3 发酵温度16
• 1.5.4 料液酸碱度16-17
• 1.5.5 溶氧量17
• 1.6 沼气发酵工艺17-19
• 1.6.1 UASB(上流式厌氧污泥床工艺)17-18
• 1.6.2 CSTR(全混合厌氧工艺)18
• 1.6.3 IC(厌氧内循环反应器)18
• 1.6.4 EGSB(厌氧颗粒污泥膨胀床)18-19
• 1.7 产甲烷菌复合菌系组成多样性分析的方法19
• 1.8 本研究的目的、意义和研究内容19-21
• 1.8.1 本研究的目的和意义19-20
• 1.8.2 本研究的内容20-21
• 第二章 产甲烷复合菌系的筛选、构建及稳定性分析21-32
• 2.1 材料与仪器21-22
• 2.1.1 实验材料21
• 2.1.2 主要仪器21
• 2.1.3 主要溶液和培养基21-22
• 2.2 试验方法22-24
• 2.2.1 样品采集22
• 2.2.2 样品处理22
• 2.2.3 厌氧培养基的配制22-23
• 2.2.4 产甲烷复合菌系的筛选与构建23
• 2.2.5 产甲烷复合菌系的稳定性研究23-24
• 2.3 结果与分析24-30
• 2.3.1 产甲烷复合菌系的筛选与构建24-27
• 2.3.2 产甲烷复合菌系NYZ稳定性研究27-30
• 2.4 本章小结30-32
• 2.4.1 产甲烷复合菌系的筛选与构建30
• 2.4.2 产甲烷复合菌系NYZ稳定性研究30-32
• 第三章 产甲烷菌群NYZ不同发酵阶段菌群结构分析32-49
• 3.1 材料与仪器32-35
• 3.1.1. 实验材料32
• 3.1.2 菌株与质粒32
• 3.1.3 扩增引物32
• 3.1.4 分析软件32
• 3.1.5 主要试剂32-33
• 3.1.6 主要仪器33
• 3.1.7 主要溶液和培养基33-35
• 3.2 实验方法35-38
• 3.2.1 不同发酵阶段产甲烷菌群16S rDNA文库构建35-37
• 3.2.2 不同发酵阶段产甲烷菌群16S rDNA文库分析37-38
• 3.3 结果与分析38-47
• 3.3.1 不同发酵阶段产甲烷菌群16S rDNA文库构建38-40
• 3.3.2 不同发酵阶段产甲烷菌群16S rDNA文库分析40-47
• 3.4 本章小结47-49
• 第四章 产甲烷菌复合菌系NYZ发酵条件分析49-64
• 4.1 材料与仪器49
• 4.1.1 实验材料49
• 4.1.2 主要仪器49
• 4.1.3 主要溶液和培养基49
• 4.2 试验方法49-51
• 4.2.1 样品处理49
• 4.2.2 厌氧培养基的配制49
• 4.2.3 原料对沼气发酵特性的影响49-50
• 4.2.4 温度对沼气发酵特性的影响50
• 4.2.5 初始pH值对沼气发酵特性的影响50
• 4.2.6 接种量对沼气发酵特性的影响50
• 4.2.7 指标测定方法50-51
• 4.3 结果与分析51-62
• 4.3.1 原料对沼气发酵特性的影响51-53
• 4.3.2 温度对沼气发酵特性的影响53-57
• 4.3.3 初始pH值对沼气发酵特性的影响57-59
• 4.3.4 接种量对沼气发酵特性的影响59-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第五章 讨论与展望64-71
• 5.1 讨论64-70
• 5.1.1 产甲烷复合菌系NYZ的筛选、构建及稳定性分析64-65
• 5.1.2 产甲烷复合菌系NYZ不同发酵阶段菌群结构分析65-68
• 5.1.3 产甲烷复合菌系NYZ发酵条件研究68-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-76
• 致谢76

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