微生物降解水稻秸秆及沼气发酵的研究

【摘要】： 我国的纤维素资源非常丰富,仅农作物秸秆,每年产量就达7亿多吨。我国三大秸秆中玉米秸占(35%)、小麦秸占(21%)、稻草占(19%)。除少量用于造纸、建筑、纺织等行业,或用作粗饲料、薪柴外,大部分秸秆未被有效利用而白白烂掉或烧掉,甚至还造成环境污染。充分、合理、有效地利用农作物秸秆资源,有益于生态环境的改善和循环经济的发展。 在可再生物质能中,CO_2和H_2O通过光合作用固定在农作物秸秆中的碳氢化合物—纤维素被认为是发展生物质能最廉价的原料。但由于秸杆纤维素中碳氢比过低导致秸秆中能源密度较低,不能像化石燃料一样直接用于体现现代文明的运输工具和经济活动。通过生物和化学的方法将秸秆中纤维素降解并产生五碳糖、六碳糖、甲醇、己醇、CO_2、甲烷、氢气等低分子化合物,就能够提高碳氢比并增加能源密度。 在玉米秸、小麦秸和稻草三大秸秆中,稻草中富含蜡质且纤维素聚合度更高,比玉米秸秆和小麦秸秆更难被降解。本文就降解水稻秸秆的相关微生物菌株的筛选和育种、甲烷菌的筛选及沼气发酵等方面进行相关研究,主要包括3个方面的内容: (1)降解水稻秸秆的好氧性丝状真菌菌株的筛选、育种和初步鉴定。从湖南农业大学实验田和牛奶场腐烂稻草秸秆中分离筛选到7株可降解玉米和稻草秸秆的微生物菌株,它们的编号分别为:3号、5号、20号、22号、23号、48号、59号,其中以22号、59号降解秸秆纤维素能力较强;23号、48号降解秸秆半纤维素能力较强。 通过对所选项菌株的菌落形态特征、个体形态特征的观察并结合《真菌鉴定手册》进行鉴定,所选优势菌株鉴定结果如下:22号菌株属半知菌类丛梗孢目丛梗孢科单胞亚科卵形孢族卵形孢属梨卵形孢组;59号菌株属菌株属半知菌类丛梗孢目丛梗孢科单胞亚科卵形孢族卵形孢属梨卵形孢组;23号菌株属藻菌纲毛霉目毛霉科毛霉属总状枝毛霉组;48号菌株属半知菌类丛梗孢目丛梗孢科曲霉族曲霉属烟色曲霉组。 (2)初筛好氧性丝状真菌菌株的细胞融合育种及融合子菌株和发酵条件优化。将初筛菌株22号和48号经过紫外线诱变和原生质体融合,得到遗传稳定性较强的5株融合子菌株,分别编号为:22481～22485号。其中22483号菌株产葡萄糖有明显提高,其发酵醪液中葡萄糖含量达到0.7712mg/mL,而其产木糖的能力基本与48号菌株接近,其发酵醪液中木糖含量达到0.0902mg/mL。经发酵条件优化后,在30℃、108h发酵时间、加入0.5%硫酸铵、0.3%氯化钴,其发酵醪液中葡萄糖含量达到2.2712mg/mL。 (3)降解水稻秸秆的厌氧性菌株和甲烷菌的筛选、鉴定及其沼气发酵的研究。从沼气渣滓和下水道污泥中分离筛选到13株可降解稻草秸秆产生甲酸、乙酸、丁酸、乙醇、CO2及甲烷的厌氧性细菌菌株,将它们的分别编号为:1～13号。 通过对所选厌氧性细菌菌株的菌落形态特征、个体形态特征的观察及生化试验结果并结合《伯杰氏鉴定手册》进行鉴定,所选厌氧性细菌菌株鉴定结果如下:1号菌株属芽孢杆菌梭菌属中生孢子明胶不水解群未知种;3号菌株属芽孢杆菌梭菌属端生孢子明胶水解群未知种;12号菌株属芽孢杆菌梭菌属端生孢子明胶水解群生孢梭菌;8号菌株属芽孢杆菌梭菌属次端生孢子有特殊生长要求群热纤梭菌种;6号芽孢杆菌梭菌属端生孢子有特殊生长要求群克氏菌种;7号芽孢杆菌梭菌属端生孢子明胶水解群腐化梭菌。4号菌株属甲烷菌科甲烷杆菌属甲酸甲烷杆菌;5号菌株属甲烷菌科甲烷杆菌属索氏甲烷杆菌;8号菌株属甲烷菌科甲烷杆菌属反刍甲烷杆菌;2号菌株属甲烷菌科甲烷杆菌属热自养甲烷杆菌;10号菌株属甲烷菌科甲烷球菌属马氏甲烷球菌。 本试验将所选降解水稻秸秆的厌氧性细菌菌株和甲烷菌菌株制备成发酵剂,并将这些发酵剂按适当比例配合进行了发酵秸秆产沼气试验。此混合发酵剂在气温低于20℃时可正常发酵产沼气,并在发酵第3天即开始产沼气并能燃烧,第5天所产沼气燃烧时间最长,第15天后所产沼气较小无法正常燃烧。 【关键词】：水稻秸秆 丝状真菌 细胞融合 厌氧芽孢梭菌 甲烷菌
【学位授予单位】：湖南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第一章 绪论16-24
• 前言16
• 1 水稻秸秆的的化学成分及结构16-18
• 2 水稻秸秆综合利用的研究现状18-19
• 2.1 国外对水稻秸秆综合利用的研究现状18
• 2.2 我国对水稻秸秆综合利用的研究现状18-19
• 3 水稻秸秆综合利用所面临的技术问题19-20
• 3.1 微生物降解水稻秸秆所面临的技术问题19
• 3.2 利用水稻秸秆生产沼气所面临的技术问题19-20
• 4 水稻秸秆微生物降解机制20-21
• 5 研究目的与意义21-23
• 5.1 微生物降解水稻秸杆的研究目的21
• 5.2 微生物降解水稻秸杆的研究意义21-23
• 5.2.1 缓解粮食和能源危机21-22
• 5.2.2 减轻环境污染22
• 5.2.3 推动农业生态良性循环22-23
• 5.2.4 增加农民收入并促进我国能源产业布局结构的调整23
• 6 本文研究内容23-24
• 第二章 降解水稻秸秆的好氧性丝状真菌菌株的分离筛选与初步鉴定24-38
• 引言24-25
• 1 试验材料与方法25-31
• 1.1 试验材料25-28
• 1.1.1 菌株分离材料(分离源)25
• 1.1.2 培养基25-26
• 1.1.3 主要药品与试剂26-27
• 1.1.4 主要仪器设备27
• 1.1.5 主要试剂配制27-28
• 1.2 试验方法28-31
• 1.2.1 菌种的分离与纯化方法28
• 1.2.2 菌源的采集及增殖28
• 1.2.3 菌株的分离纯化28
• 1.2.4 被选菌株的初步鉴定方法28
• 1.2.5 菌株菌落特征和个体形态特征的观察方法28-29
• 1.2.6 菌株的初筛方法29
• 1.2.7 菌株降解水稻秸秆能力的测定方法29-31
• 2 结果与分析31-36
• 2.1 初筛菌株菌落特征和个体形态特征31-33
• 2.2 初筛菌株的初步鉴定结果33-34
• 2.3 初筛菌株降解稻草能力的测定结果34-36
• 2.3.1 初筛菌株降解稻草秸秆纤维素、半纤维素能力测定结果34
• 2.3.2 初筛菌株发酵稻草秸秆醪液中述原糖含量的测定结果34-35
• 2.3.3 初筛菌株发酵稻章秸秆醪液中木糖含量的测定结果35-36
• 3 本章小结36-38
• 第三章 被选真菌菌株原生质体融合育种及降解水稻秸秆条件的优化研究38-53
• 引言38-39
• 1 料试验材与方法39-43
• 1.1 试验材料39-41
• 1.1.1 出发菌株39
• 1.1.2 主要培养基39
• 1.1.3 主要药品39-40
• 1.1.4 主要试剂40
• 1.1.5 主要仪器设备40-41
• 1.2 真菌菌株的原生质体融合优化方法41-42
• 1.2.1 真菌菌株的原生质体融合优化流程41
• 1.2.2 亲本菌株菌丝体的培养与收集41
• 1.2.3 菌丝体酶解去壁41
• 1.2.4 原生质体的收集41
• 1.2.5 原生质体的紫外线诱变41
• 1.2.6 原生质体的融合41-42
• 1.2.7 原生质体的再生和融合子菌株的筛选42
• 1.2.8 筛选融合子菌株的遗传稳定性鉴定42
• 1.2.9 融合子菌株的发酵试验42
• 1.3 被选真菌黄株原生质体融合条件的优化试验42-43
• 1.3.1 菌丝体最佳破壁菌龄的选择试验42
• 1.3.2 高渗溶液浓度对融合子形成的试验42-43
• 1.3.3 原生质体最佳紫外线诱变时间的试验43
• 1.4 被选融合子菌株降解水稻秸秆条件的优化试验43
• 1.4.1 正交试验确定被选融合子菌株糖化降解稻草秸秆的最佳条件43
• 2 结果与分析43-51
• 2.1 被选真菌菌株原生质体融合条件的优化试验结果43-48
• 2.1.1 被选菌株最佳破壁菌龄的原生质体形成率的试验结果43-44
• 2.1.2 高渗溶液浓度对融合子形成的试验结果44-45
• 2.1.3 原生质体最佳紫外线诱变时间的试验结果45-47
• 2.1.4 融合子菌株的发酵试验结果47-48
• 2.2 被选融合子菌株降解水稻秸秆发酵条件的优化试验结果48-51
• 2.2.1 正交设计结果与极差分析48-50
• 2.2.2 方差分析50-51
• 3 本章小结51-53
• 第四章 降解水稻秸秆的厌氧性细菌和甲烷菌的分离鉴定及其沼气发酵的研究53-72
• 引言53-54
• 1 试验材料与方法54-62
• 1.1 试验材料54-59
• 1.1.1 菌株分离材料(分离源)54-55
• 1.1.2 培养基55-57
• 1.1.3 主要药品与试剂57-58
• 1.1.4 主要仪器设备58-59
• 1.2 试验方法59-62
• 1.2.1 降解水稻秸杆的厌氧性细菌和甲烷菌菌源的采集与增殖59
• 1.2.2 降解水稻秸秆的厌氧性细菌菌株的分离纯化59
• 1.2.3 甲烷菌菌株的分离纯化59-60
• 1.2.4 降解水稻秸秆的厌氧性细菌菌落特征和个体形态特征观察方法60
• 1.2.5 甲烷菌菌落特征和个体形态特征观察方法60
• 1.2.6 降解水稻秸秆的厌氧性细菌菌株的鉴定方法60-61
• 1.2.7 甲烷菌的鉴定方法61
• 1.2.8 被选菌株的初筛方法61-62
• 1.2.9 被选降解水稻秸杆的厌氧性细菌与甲烷菌混合发酵水稻秸杆产甲烷试验62
• 2 结果与分析62-70
• 2.1 被选降解水稻秸秆厌氧性细菌菌株的菌落特征和个体形态特征62-64
• 2.2 被选甲烷菌菌株的菌落特征和个体形态特征64-66
• 2.3 被选降解水稻秸秆厌氧性细菌菌株的生化试验鉴定结果66
• 2.4 被选降解水稻秸秆的厌氧性细菌菌株的初步鉴定结果分析66-67
• 2.5 被选甲烷菌菌株在不同培养基的生长情况67
• 2.6 被选产甲烷菌菌株的初步鉴定结果分析67-68
• 2.7 利用被选降解水稻秸秆厌氧性细菌与被选甲烷菌发酵剂混合发酵秸杆产甲烷试验结果68-69
• 2.8 常温下发酵产气计量试验结果69-70
• 2.9 低温下混合发酵产沼气燃烧试验结果70
• 3 本章小结70-72
• 第五章 结论72-75
• 1 降解水稻秸秆的丝状真菌菌株的分离、筛选及鉴定72
• 2 降解水稻秸秆的丝状真菌菌株及水稻秸秆降解发酵条件的优化72-73
• 3 降解水稻秸秆的厌氧性细菌和甲烷菌菌株的分离鉴定及沼气发酵73-75
• 成果展望与创新点75-76
• 1 成果展望75
• 2 创新点75-76
• 参考文献76-79
• 致谢79
• 作者简历79
• 在读期间发表论文目录79

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