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黃孢原毛平革菌預處理小麥秸稈黑膜沼氣池制沼氣研究
時間 : 2019-04-18 瀏覽量 : 11

黃孢原毛平革菌( Phanerochaete chrysos  porium  Burdsall)是白腐菌的一種,具有極強的酵解木質素  的作用。它屬于擔子菌綱非褶菌目伏革科顯革菌  屬。中國秸稈資源豐富,2015年全國秸稈理論資源  量為9.6億t,可收集資源量約為7.6億t。然而大  部分秸稈被廢棄或直接焚燒,造成環境污染和資源  浪費1-2。秸稈是一種優質生物質能,2t秸稈能源  化的熱值相當于1t標準煤。推廣秸稈能源化利  用,可減少煤、石油等化石能源消耗,改善能源結構,  減少二氧化碳排放,緩解全球氣候變化等。秸稈  可黑膜沼氣池發酵物質含量較高,產沼氣潛力較強,但它的木質


纖維素結構是生產沼氣的瓶頸。降解木質纖維素的關鍵是去除木質素-61。近年來利用生物法預處理  秸稈成為研究熱點。生物法常用的是白腐菌。  Ghost8l等發現黃孢原毛平革菌菌絲體有很強的木質素降解能力。黃孢原毛平革菌( Phanerochaete  chrysosporium)是白腐菌的一種,降解木質素能力很  強,現已成為用于研究生物質利用和自然界有機污  染物生物治理的模式生物。本文用黃孢原毛平革菌  對秸稈木質纖維素進行降解預處理,研究其對厭氧  黑膜沼氣池發酵產沼氣的影響,探索小麥秸稈高效產沼氣的方法


1材料與方法


1.1材料

小麥秸稈:收集于南陽郊區,洗凈,風干,粉碎,保存。經測定,其總固體含量(TS)為91.45%,主要成分的含量為:纖維素36.5%,半纖維素28.2%,木質素19.6%。菌種:黃孢原毛平革菌( Phanerochaetechrysosporium),中國工業微生物菌種保藏中心?;A培養液”:KH2PO40.20g·L-1,MgSO4·7H2O0.05g·L,CaC20.01gL和1mLL無機鹽溶液,維生素B1100mg·L-,吐溫-800.05%。無機鹽溶液0:0.50g·L1,MnSO4H2O;0.01g·LAlK(SO4)2·12H2O;0.018C~1H2BO3;0.01gL-1,Na2MoO4·2H2O;0.10g·L,FeSO4·7H2O;0.10g·L-,CoCl2·6H2O;0.10g·L,ZnsO4·7H2O;0.01g·L-,CuSO4·5H2O;3.00g·L,MgSO4·7H2O。

厭氧消化試驗所用沼液總固體(TS)的含量為4.88%,揮發性固體(Vs)為65.43%,pH值為7.73


1.2實驗方法


1.2.1秸稈的好氧降解試驗  

將黃孢原毛平革菌在30℃溫度下活化,150  rmin轉速搖床培養7d后,用滅菌濾紙過濾,滅  菌水沖洗3次,至濾紙不再滴水。稱取秸稈40g于  1000mL錐形瓶中,按固液比1:2加入基礎培養液,  自然pH值,加水調節含水率至75%,封口后于  120℃下滅菌30min。冷卻至室溫后以20%的接種量(以濕重計)接種上述過濾得到的菌體,接種后放入恒溫恒濕培養箱,調節濕度75%,好氧條件下,在30℃溫度下培養,分別于10d,15d,20d取樣,測定纖維素、半纖維素、木質素等指標。每個處理設3個重復。


1.2.2降解產物的厭氧黑膜沼氣池發酵試驗

黑膜沼氣池發酵實驗裝置見圖1。以一個容積為2500mL的錐形瓶作為黑膜沼氣池發酵罐,側壁上共開有兩個出口,上方為氣樣口,下方為液樣口,錐形瓶的開口用玻璃管連接集氣瓶,集氣瓶后連通集液瓶。將黑膜沼氣池發酵罐置于35℃的水浴鍋中進行黑膜沼氣池發酵。氣體收集瓶容積為2500mL,采用排水法收集氣體,通過測量排出水的體積獲得沼氣產量。

采用濕黑膜沼氣池發酵方法:取預處理10d,15d,25d后黑膜沼氣池發酵原料(濕料),加入接種沼液40g(T為2.3%),


加水將黑膜沼氣池發酵物總質量調整至60g,此時發的的  TS負荷均為8%。密封后,35℃±1℃下進行厭  醇。對照處理為不加菌體的原料。具體試驗邊計  表1,每個處理做2個重復

原料物質料重


對照  44.29400  黃孢原毛平革菌10d86,245.01400  黃孢原毛平革菌15d90243.02401黃孢原毛平革菌25d92.342.044001579


1.2.3測定項目及方法

纖維素、半纖維素和木質素的含量測定采用范  氏法2;產氣量的測定采用排水集氣法;沿氣中  甲烷含量的測定采用GC-9890A氣相色譜儀分析  (TCD檢測器);干物質的測定采用105℃烘24h  重法;pH值采用雷磁pHS2F型酸度計測定:揮發  性脂肪酸的測定采用比色法。


1.2.4數據整理與統計

數據均用SPSs13.0軟件進行處理和統計分析2結果與討論


2.1降解過程中秸稈木質纖維素含量的變化

由圖2可見,黃孢原毛平革菌對木質素、纖維素、半纖維素均有不同程度的降解,對木質素的降舞較為明顯,接種20d后,木質素含量分別降到7.3%,降解率為62.75%。木質素、纖維素、半纖維素的降解率均隨處理時間延長而增加,20d后對纖維素的降解率為10.9%,對半纖維素的降解率  177%。黃孢原毛平革菌是白腐菌的典型代表  期實驗表明,黃孢原毛平革菌接種濃度過高而  響木質纖維素的降解效率,過低則會導致其降解效  果較差。此外,由于木質素的屏障作用被打破,黃


原毛平革菌對半纖維的降解能力也有了顯著的提  高。白腐菌改善了秸稈的結構和質地,有利于釋放  包裹在木質素和半纖維素中的纖維素,使之變得更  減消化利用,從而達到提高秸稈消化率的目的


2.2秸稈厭氧黑膜沼氣池發酵的產酸特征量的變化  

圖3是厭氧黑膜沼氣池發酵中黑膜沼氣池發酵液pH值的變化,各處  理在反應過程中秸稈厭氧黑膜沼氣池發酵酸化速度很快,pH值  均在第2天就達到最低值,黃孢原毛平革菌預處理  10d,15d,20d各組的最低值分別為7.3,13,  7.28對照組的最低值為7.15。各處理組的pH值在達到最低值后開始回升第5天至第30天穩定在定范圍內,隨后顯著下降。


圖4是厭氧黑膜沼氣池發酵中黑膜沼氣池發酵液中揮發性脂肪酸濃度  的變化,可以看出,各處理的揮發性脂肪酸濃度在發  酵第2天達到最高,其中黃孢原毛平革菌預處理10  d,15d,25d各組的揮發性脂肪酸最高濃度分別為  1380mg·L-1,1025mg·L-1,1038mg·L。各處理  組的揮發性脂肪酸濃度達到最高值后開始下降,在  第8天達到一個較低的穩定值,而對照組在第15天才達到較低穩定值,并持續到黑膜沼氣池發酵結束。結合圖3  可以看出,pH值和揮發性脂肪酸的濃度有著相反的變化趨勢,揮發性脂肪酸濃度升高時pH值下降。  統計分析可知,揮發性脂肪酸濃度與pH值呈極顯  著負相關,表明有機酸的產生是造成黑膜沼氣池發酵液中pH值下降的最重要原因。


2.3秸稈厭氧黑膜沼氣池發酵的產氣特征


2.3.1日產氣量

從圖5可見,各處理厭氧反應期間的日產氣量變化趨勢大致相同,均在3-5d達到第1個產氣最高峰,微生物將原料中易利用的成分被快速降解,根據氣相色譜,甲烷體積分數低于10%,而二氧化碳約為50%,這與此時系統中黑膜沼氣池發酵型細菌占優勢有關。第1個產氣高峰之后,產氣量下降且持續一段時間,在25~27d達到第2個產氣高峰,此后一直維持在一個較低的產氣量水平,直至黑膜沼氣池發酵結束。根據氣相色譜測定,發現自第6天開始,生物燃氣中甲烷的體積分數均高于50%,說明此時已經進入產甲烷的旺盛期。在整個黑膜沼氣池發酵過程中,出現第1個峰值的原因可能是由于黑膜沼氣池發酵初期,黃袍原毛平革菌的營養相對比較豐富,生長繁殖速度快,從而分泌出大量的木聚糖酶,在此期間由于前期木質纖維素中不僅纖維素和半纖維素得到了有效降解,木質素也有部  分被降解;而后期的第2個峰值出現的原因可能與  黃抱原毛平革菌的次級代謝有關,在黃抱原毛平革  菌的作用下木質素的屏障作用被破壞,有更多的半  纖維素可被黃袍原毛平革菌利用。


2.3.2累積產氣量  

對各處理在黑膜沼氣池發酵期間的產氣進行累積計算,結  果見圖6。圖6顯示,對照組在30d停止產氣,而白  腐菌預處理10d,15d,20d的處理組則繼續產氣直  至黑膜沼氣池發酵結束。由黃孢原毛平革菌預處理10d,15d,  累積產氣量分別較對照提高了42%,41%。然而,  當黃孢原毛平革菌預處理小麥秸稈超過20d時,木  質素、纖維素雖然進一步降解,但其累積產氣量下降  了37%,這是因為黃孢原毛平革菌預處理秸稈的時  間過長,微生物本身生理活動消耗了較多的產沼氣底物,同時,它在分解木質素的過程中產生并積累了一些抑制纖維素水解酶活性的代謝產物,從而降低了白腐菌預處理對沼氣黑膜沼氣池發酵的促進作用。


3結論  

秸稈是典型的木質纖維素,利用纖維素之前必  須把它從木質素和半纖維素包裹中釋放出來,而半  纖維素比木質素易降解,因此,纖維素的分解關鍵就  在于脫除木質素。本文的研究表明,黃孢原毛平革  菌對木質素、纖維素、半纖維素均有不同程度的降解,對木質素的降解較為明顯。  各處理組與對照組的揮發性脂肪酸含量無顯著  性差異。對揮發性脂肪酸含量與產氣量進一步分  析,揮發性脂肪酸的高峰值出現在產氣量增加的前  期,這是由于有機酸的大量積累造成pH值降低,從  而影響了產甲烷菌的活性,但揮發性脂肪酸的積累也為甲烷菌生長繁殖提供了大量的物質來源,隨著產甲烷菌活性逐步增加,有機酸底物隨后被甲烷菌充分利用后形成了產氣高峰。經黃孢原毛平革菌處理小麥秸稈后,木質素、半纖維素、纖維素等發生不


同程度的降解,提高了秸稈的沼氣產率。


摘自《中國沼氣》第三期 柴春月 田龍


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