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棉秆沼气发酵过程优化及微生物群落分子多样性研究

王江丽  
【摘要】: 我国棉秆资源丰富,利用棉秆发酵制取沼气是有效利用棉秆资源的途径之一。由于棉秆具有不同于软茎秸秆的特殊特征,是一种木质化程度高、韧皮纤维丰富的硬秸秆,因此有必要研究棉秆的沼气发酵潜力及发酵过程。为此,本文开展了如下系列研究,其研究结果为提高棉秆沼气发酵效率奠定了一定的理论基础,并可为棉秆沼气发酵的实际推广应用提供科学指导。 (1)进行了棉秆沼气发酵接种物的驯化筛选,建立了接种物驯化方法,认为用棉秆粉和砂粒驯化的河底泥是较好的接种物,适于棉秆的沼气发酵。 (2)以棉秆为原料,在中温(35±2)℃条件下研究了棉秆的沼气发酵潜力及发酵过程中纤维素、半纤维素和木质素的降解特征,结果表明,在250 ml三角瓶中发酵53 d,棉秆的沼气发酵潜力为202 ml/g·TS;发酵过程中,纤维素和半纤维素的降解率分别为12.4%和21.0%,木质素基本没有降解。同时,在常温(28±2)℃条件下比较了棉秆、麦秆、稻秆和玉米秆等不同秸杆原料的沼气发酵产气量,结果表明棉秆的沼气发酵潜力低于其它秸杆原料。尽管如此,棉秆蕴藏着丰富的可开发的生物质潜能。 (3)在中温条件下,在250 ml三角瓶中通过正交试验优化了棉秆沼气发酵的工艺条件,获得的最佳工艺条件是:接种物为30%,TS为7%,碳氮比为30:1,起始pH为7.0。同时,在优化的工艺条件下,在1 L三角瓶中进行了棉秆沼气发酵的过程研究,结果表明,蛋白酶、糖化酶、液化酶和纤维素酶活性的峰值及挥发性有机酸含量的峰值正好处于沼气产气量峰值期间,说明上述各种酶及挥发性有机酸与沼气发酵效率密切相关。 (4)建立了一种适合于从不同发酵阶段的沼液中提取可直接进行PCR扩增的微生物总DNA的有效方法,即采用脱腐缓冲液、溶菌酶、SDS、KAC和酚/氯仿、异丙醇、乙醇提取总DNA的方法。 (5)建立了利用DGGE技术研究棉秆沼气发酵过程中微生物群落结构多样性的方法。在不同发酵阶段提取微生物总DNA,对其16S rDNA V3区进行扩增并通过DGGE分析不同发酵阶段细菌群落结构的变化,结果表明在整个发酵过程中,细菌群落结构多样性比较丰富,且随发酵时期发生变化,并与沼气产气量和基质降解密切相关。


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