甲烷氧化混合菌群的富集培养及其治理瓦斯工艺研究

【摘要】：甲烷氧化菌能在温和条件下特异的利用甲烷,具有应用于甲烷减排和煤矿瓦斯治理的潜力。本论文在对我国典型煤矿土壤的甲烷氧化菌进行分子生态学分析的基础上,确定甲烷氧化混合菌的富集培养策略,获得高效利用甲烷的稳定混合菌群,对其特性和功能进行研究,实现大规模发酵培养,并在实验室和煤矿现场进行了瓦斯治理实验。 用多种分子生态学方法解析了瓦斯煤矿土壤中的甲烷氧化菌及相关微生物的组成信息。该样品含有大量的甲烷氧化菌及甲基氧化菌,其中甲烷氧化菌以Ⅰ型为主,Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅹ型甲烷氧化菌的含量分别为78.6%、7.1%和14.3%。 分别以甲烷气和人工瓦斯气作为唯一碳源对土壤样品进行好氧选择性传代培养。富集过程中甲烷和乙烷的消耗能力得到显著强化,总细菌的多样性逐渐减少,Ⅰ型甲烷氧化菌则得到富集,20代以后菌群结构和甲烷去除能力趋于稳定。 研究了两种气体条件富集的混合菌群的特性,包括菌体形态、生长特性、代谢特性和微生物群落结构。驯化后Ⅱ型甲烷氧化菌数量增加,人工瓦斯气富集的混合菌菌群更丰富。混合菌比纯菌的甲烷消耗能力更强,且无代谢产物积累。菌群间的协同作用能有效避免产物抑制,有利于菌群结构和功能的稳定。 对两种条件得到的混合菌的功能进行了系统分析。其在甲烷浓度为3~50%时都有较好的去除效果,最高可达241 ml CH4 h~(-1) OD660~(-1) (L culture)~(-1)。在20~42oC都能有效的去除甲烷。对H_2S、CO和SO_2等毒性气体有很强的耐受性。混合菌保藏可用4oC充甲烷密封保存法、-80oC冻存菌体法和-80oC添加石蜡油冻存法。 以甲烷气富集的混合菌为对象,研究了甲烷氧化混合菌的大规模发酵培养。成功开展了5L-300L和5L-600L的放大发酵实验。混合菌在放大培养时,生长速度稳定,且随着发酵逐级放大,消耗甲烷能力以及菌群结构都能够保持稳定。 在实验室模拟煤层、生物过滤实验中研究混合菌去除甲烷的能力,并在河南三个矿井进行现场中试,将制备的菌液注入煤层并达饱和,甲烷去除效果显著,说明富集的甲烷氧化混合菌有在煤矿中治理瓦斯的应用潜力。