秸秆沼气发酵预处理微生物菌剂的制备与应用研究

【摘要】：我国是一个农业大国，各类农作物秸秆资源十分丰富，大量农作物秸秆收获后得不到合理的利用，既造成了资源浪费又导致了污染环境。以秸秆为原料发酵产沼气可以有效地缓解这个问题。但是，秸秆中的主要成分为纤维素、半纤维素以及木质素，而且表面有蜡质层覆盖，若将其直接进行沼气发酵，蜡质层和木质素均会影响微生物对其内部纤维结构的生物降解，最终影响沼气发酵效率。本文拟从自然环境中分离、筛选木质纤维素降解菌，并制备成秸杆沼气发酵预处理菌剂，同时将其应用到秸杆沼气酵过程中，研究其对产沼气的贡献，以及对沼气发酵产物的影响。 本文从沼气发酵液、林地土壤和堆肥中分离出多种微生物。通过对秸秆木质纤维素的降解率、生长量大小、酶活、拮抗实验等方法筛选其中的优势菌种。再对不同的菌株进行配伍组合，通过酶活研究，获得最佳组合，并制备成相应的菌剂，对秸秆进行预处理后进行沼气发酵，通过产气量的测定，最终筛选出优势菌剂。本文还通过对该优势菌剂中的微生物进行分类鉴定，研究其促进沼气发酵的微生物机理。另外，还通过核磁共振、扫描电子显微镜、X射线衍射、红外光谱测定等方法对沼气发酵后秸杆的结构特征进行分析，并通过液相色谱、气质联用等方法对沼液的成分与含量进行测定与研究。 主要研究结论如下： （1）本文通过初筛、复筛、拮抗实验等方法筛选出了10株微生物。再进行菌株配伍，保留了4种产酶最高的微生物组合，其中12号纤维素酶活最高，为11.398U/mL；8号漆酶酶活最高，为0.083U/mL。将这四组微生物分别制备成四种沼气发酵预处理菌剂，对统一质量为15g的秸秆进行预处理，并投入沼气罐中，在37℃条件下进行厌氧发酵，6号菌剂30d产气量最高，较空白对照组提升了181%。最后，改变6号菌剂与秸秆的投料比，结果表明二者质量比为1：50时，30d产气量最高，达7369mL。微生物鉴定表明6号菌剂含灰绿青霉、米根霉、白腐菌、黄曲霉和螺孢菌。 （2）本文对秸秆沼气发酵过程中秸秆的结构变化进行了研究：X射线衍射研究发现秸秆的结晶度按47.45%、46.15%、45.6%、45.35%、43.52%依次减小，最终降至21.38%。红外扫描表明，发酵过程中各官能团振动强度减弱，发酵结束时，木质素苯环骨架、紫丁香环及愈创木环振动峰增强。核磁共振表明，秸秆木质素在厌氧降解过程中-OCH3以及β-O-4型结构中的Cα、Cβ、Cγ含量逐渐减少，紫丁香环、愈创木环结构部分被分解。扫描电镜结果显示：自发酵之日起，秸秆表面逐渐被破坏，纤维素骨架逐渐清晰，微生物在其内部大量生长，最后使秸秆结构断裂。 （3）本文采用GC-MS对秸秆沼气发酵液相产物进行了分析。空白对照组猪粪中原本含有少量的乙苯、1，2，4-三甲基苯和1，6-二甲基-4-异丙基-萘。通过与秸秆混合发酵后，三者含量逐渐减少并基本消失，同时生成苯酚、邻苯二酚、对甲基苯酚、苯甲酸、苯乙酸、苯丙酸、间羟基苯甲酸、间羟基苯乙酸、间羟基苯丙酸这些芳香族化合物，和丙酸、丁酸、戊酸、己酸等挥发性脂肪酸。液相色谱分析结果表明：三种挥发性脂肪酸的含量，随发酵时间的增加整体呈增大趋势。苯酚含量在0.07～0.48mg/L之间变化。苯甲酸在发酵一周时，含量为0.0032mg/L，随着发酵的进行，含量减少，低于检测限。 【关键词】：秸秆 微生物菌剂 沼气发酵 秸秆结构 沼液成分
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.2;X172
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 微生物降解纤维素和木质素的研究进展11-15
• 1.2.1 微生物降解纤维素的研究进展11-13
• 1.2.2 微生物降解木质素的研究进展13-15
• 1.2.3 用于沼气发酵微生物菌剂制备的研究进展15
• 1.3 秸秆发酵过程中木质素结构变化与沼液成分及含量的研究进展15-17
• 1.3.1 木质素结构变化的研究进展15-16
• 1.3.2 沼液成分及含量的研究进展16-17
• 1.4. 本课题的研究目标、研究内容、拟解决的关键问题及技术路线17-20
• 1.4.1 研究目标17-18
• 1.4.2 研究内容18
• 1.4.3 拟解决的关键问题18
• 1.4.4 技术路线18-20
• 第二章 秸秆沼气发酵预处理微生物的分离与筛选20-31
• 2.1 实验材料20-21
• 2.1.1 材料来源20
• 2.1.2 培养基20-21
• 2.1.3 实验设备21
• 2.2 实验方法21-24
• 2.2.1 沼液中微生物的分离21-22
• 2.2.2 林地土壤与堆肥中微生物的分离22
• 2.2.3 沼液中微生物的筛选22
• 2.2.4 林地土壤与堆肥中微生物的筛选22-23
• 2.2.5 沼液、林地土壤和堆肥中筛选出的微生物形态观察23
• 2.2.6 分析方法23-24
• 2.3 结果与讨论24-30
• 2.3.1 沼液中微生物的分离24
• 2.3.2 林地土壤与堆肥中微生物的分离24
• 2.3.3 沼液中微生物的筛选24-26
• 2.3.4 林地土壤与堆肥中微生物的筛选26-28
• 2.3.5 沼液、林地土壤和堆肥中筛选出的微生物形态观察28-30
• 2.4 小结30-31
• 第三章 秸秆沼气发酵预处理微生物菌剂的制备与应用研究31-42
• 3.1 实验材料31
• 3.1.1 微生物来源31
• 3.1.2 主要试剂与设备31
• 3.2 实验方法31-34
• 3.2.1 菌种液体发酵酶活测定31-32
• 3.2.2 菌株拮抗实验32
• 3.2.3 菌株配伍实验32
• 3.2.4 菌剂的制备32-33
• 3.2.5 菌剂预处理秸秆进行沼气发酵33
• 3.2.6 优势菌剂用量最优化实验33
• 3.2.7 优势菌剂中微生物的鉴定33-34
• 3.3 结果与讨论34-41
• 3.2.1 菌种液体发酵酶活的测定34
• 3.3.2 菌株拮抗实验34
• 3.3.3 菌株配伍实验34-36
• 3.3.4 菌剂的制备36-37
• 3.3.5 菌剂预处理秸秆进行沼气发酵37-38
• 3.3.6 优势菌剂用量最优化实验38-39
• 3.3.7 优势菌剂中微生物的鉴定39-41
• 3.4 小结41-42
• 第四章 秸秆沼气发酵降解产物分析42-63
• 4.1 实验材料42
• 4.2 实验方法42-43
• 4.3 分析方法43-45
• 4.3.1 固体剩余物红外光谱分析43
• 4.3.2 固体剩余物 X 射线衍射分析43
• 4.3.3 固体剩余物扫描电镜分析43
• 4.3.4 固体剩余物核磁共振分析43-44
• 4.3.5 固体剩余物醌结构的测定44
• 4.3.6 发酵沼液气质联用分析44-45
• 4.3.7 液相色谱定量测定发酵沼液中主要成分45
• 4.4 结果与分析45-62
• 4.4.1 固体剩余物红外光谱分析45-46
• 4.4.2 固体剩余物 X 射线衍射分析46-48
• 4.4.3 固体剩余物扫描电镜分析48-52
• 4.4.4 固体剩余物核磁共振分析52-53
• 4.4.5 固体剩余物醌结构的测定53-54
• 4.4.6 发酵沼液气质联用分析54-59
• 4.4.7 液相色谱定量测定发酵沼液中主要成分59-62
• 4.5 小结62-63
• 第五章 结论与展望63-65
• 5.1 结论63-64
• 5.2 对未来工作的建议64-65
• 参考文献65-69

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