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秸秆沼气发酵预处理微生物菌剂的制备与应用研究

张瑞  
【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。


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