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水生植物的瘤胃微生物转化

岳正波  
【摘要】: 水生植物被广泛用于富营养化严重的湖泊、河流等水体的修复,但其生长迅速且难以控制,如处理不当容易造成水体的二次污染。另一方面,利用厌氧生物技术能够将水生植物作为一种可再生的生物质实现转化,不仅避免了二次污染问题,还可以提供氢气、有机酸和甲烷等产品,具有较好的环境和经济效益。本论文在全面的实验研究和深入的理论分析基础上,解析了水生植物的瘤胃微生物厌氧降解过程,并对其降解和预处理工艺学进行了优化。主要研究内容和结果如下: 1、利用红外光谱、X射线光电子能谱和凝胶色谱研究了水生植物(以美人蕉为例)的降解过程。研究结果表明,水解过程是决定降解效率的限速步骤;利用红外光谱能够定性和半定量地表征美人蕉组分纤维素、半纤维素和木质素的降解过程;美人蕉表面的主要成分木质素的分解主要发生在厌氧转化过程的初期。 2、利用序批式试验,结合部分因子设计和响应曲面法,优化了影响美人蕉降解的关键生态因子和工艺条件,并探讨了不同因子之间的关系。部分因子设计和响应曲面相结合能够有效地强化美人蕉的瘤胃微生物降解过程,底物浓度和pH对水生植物的降解影响最为显著。美人蕉降解的优化条件为:pH 6.6和底物浓度8.2g VS/L,而VFA生成的优化条件为:pH 6.7和底物浓度6.9g VS/L。 3、利用响应曲面法研究优化了芦苇的汽爆预处理条件,并借助于紫外光谱、X射线光电子能谱和热重分析的结果探讨了其作用机制。优化条件下得到的最大产物生成速率为0.485g COD/L/d,条件为:含水率18%,汽爆压力1.6 MPa,时间8.0 min;得到的最大产物产率0.432g COD/g,条件为:含水率20%,汽爆压力1.8 MPa,时间8.0 min。汽爆处理破坏了芦苇的致密结构,增加了原料的比表面积和吸附能力,从而提高了芦苇的生物转化效率和速率。 4、研究了重金属对蒲草厌氧转化的影响。适量的重金属增加了瘤胃微生物转化蒲草的效率,特别是在Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)分别为1.6、2.4和4.0 mg/L时;高剂量的重金属浓度对瘤胃微生物中有抑制作用,尤其是产甲烷细菌耐毒性最差;三种重金属按毒性影响大小排序为:Cd(Ⅱ)>Cu(Ⅱ)>Cr(Ⅵ)。 5、研究了表面活性剂存在时美人蕉的厌氧酸化过程。响应曲面法分析结果表明,在美人蕉和吐温80浓度分别为6.3g VS/L和2.0 ml/L时,最大有机酸产率为0.147g/g VS,吐温80对酸化产率的影响远大于底物浓度;吐温80可能通过破坏美人蕉的结构,降低木质素对水解细菌和酶的非再生性吸附,从而提高有机酸的产率。 6、建立了利用近红外光谱测定水生植物木质素、干重、挥发性物质和生物降解组分的新方法。利用近红外反射光谱分析技术和偏最小二乘回归法优化了光谱范围和光谱预处理方法,建立了近红外光谱测定水生植物中木质素、干物质、挥发性物质含量以及生物降解组分的校正模型。利用10个水生植物样品对所建模型的实际预测效果进行了验证,预测值与化学值的相关系数分别为0.959、0.859、0.893和0.821。结果表明,近红外光谱技术可以快速、准确地测定水生植物组成含量,能够用于评价水生植物的生物降解性。


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