玉米秸稈低溫甲烷發(fā)酵高效菌系的篩選及發(fā)酵效果研究.pdf

1、我國(guó)農(nóng)作物種植面積巨大，植物秸稈產(chǎn)量豐富。植物秸稈是一種富含多種有機(jī)物的生物質(zhì)資源，但我國(guó)對(duì)秸稈利用程度低下。秸稈直接丟棄與燃燒仍是農(nóng)戶(hù)處理秸稈的主要方式，不僅在資源上造成嚴(yán)重浪費(fèi)，而且會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染。利用秸稈進(jìn)行甲烷發(fā)酵不僅可以解決秸稈的處理問(wèn)題，同時(shí)也可將秸稈中的能量轉(zhuǎn)換成清潔能源，在廢物處理及能源利用領(lǐng)域都具有重要意義。
　　甲烷作為一種可再生的清潔生物質(zhì)能源，有著廣闊的發(fā)展前景，目前已得到全世界廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。但在

2、甲烷發(fā)酵過(guò)程中仍存在一些普遍性問(wèn)題，如發(fā)酵周期長(zhǎng)、產(chǎn)氣量小、發(fā)酵體系不穩(wěn)定等，而低溫下進(jìn)行的甲烷發(fā)酵，這些問(wèn)題則更加突出。添加高效的微生物菌群，改善菌群環(huán)境可明顯的提高甲烷發(fā)酵的性能。本研究以不同生境的樣品作為接種物，篩選出玉米秸稈低溫甲烷發(fā)酵的優(yōu)良接種物，并對(duì)底物的總固體含量與碳氮比進(jìn)行了優(yōu)化。此外，為了進(jìn)一步強(qiáng)化玉米秸稈低溫甲烷發(fā)酵，本研究對(duì)篩選出的最佳接種物的菌群進(jìn)行了富集強(qiáng)化，并分析了富集強(qiáng)化后菌群的發(fā)酵效果，在此基礎(chǔ)上使用高通

3、量測(cè)序技術(shù)解析了不同樣品中菌群群落組成與結(jié)構(gòu)。取得的研究結(jié)果如下:
　　(1)采集扎龍濕地污泥、群力濕地污泥、中溫發(fā)酵沼液和牛糞四種不同環(huán)境樣品作為接種物，在20℃進(jìn)行玉米秸稈牛糞甲烷發(fā)酵，通過(guò)測(cè)定產(chǎn)氣量、甲烷含量和VFA等參數(shù)發(fā)現(xiàn)，以牛糞作為接種物的甲烷發(fā)酵效果最佳。該組啟動(dòng)時(shí)間早于其他組，日產(chǎn)氣量峰值為310mL，總產(chǎn)氣量為1896mL，甲烷含量峰值為40.8％，總產(chǎn)甲烷量為525mL。對(duì)牛糞組發(fā)酵前后的菌群進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，接種

4、牛糞接種物后在細(xì)菌群落上形成的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)和螺旋體門(mén)(Spirochaete)，并以Firmicutes和Bacteroidetes占主要優(yōu)勢(shì)地位;在古菌群落結(jié)構(gòu)上形成的優(yōu)勢(shì)菌群在目的分類(lèi)水平主要為甲烷八疊球菌目(Methanosarcinales)、Miscellaneous Crenarchaeotic Group(MCG

5、)和甲烷微菌目（Methanomicrobiales），并以Methanomicrobiales為主，在屬的分類(lèi)水平上主要為甲烷鬃菌屬（Methanosaeta）、MCG和甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina），其中Methanosaeta占主要地位。
　　(2)在20℃下對(duì)玉米秸稈甲烷發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化，從碳氮比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵最優(yōu)碳氮比為25∶1。此條件下日產(chǎn)氣量峰值為123mL，總產(chǎn)氣量為1168mL，甲烷含量最高值為

6、32％。從總固體含量試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵最佳總固體含量為10％，日產(chǎn)氣量峰值為123mL，總產(chǎn)氣量為1168mL，甲烷含量最大值為32％。綜合兩組試驗(yàn)結(jié)果確定，玉米秸稈甲烷發(fā)酵的最優(yōu)條件為總固體含量為10％，碳氮比為25∶1。
　　(3)使用牛糞組發(fā)酵樣品進(jìn)行產(chǎn)甲烷菌群富集，傳代6代后獲得穩(wěn)定菌群，甲烷含量為45％，產(chǎn)氣量為46mL。菌群分析的結(jié)果表明，F(xiàn)irmicutes微生物為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌，甲烷粒菌屬（Methanocorpuscul