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黄孢原毛平革菌预处理小麦秸秆黑膜沼气池制沼气研究
时间 : 2019-04-18 浏览量 : 32

黄孢原毛平革菌( Phanerochaete chrysos  porium  Burdsall)是白腐菌的一种,具有极强的酵解木质素  的作用。它属于担子菌纲非褶菌目伏革科显革菌  属。中国秸秆资源丰富,2015年全国秸秆理论资源  量为9.6亿t,可收集资源量约为7.6亿t。然而大  部分秸秆被废弃或直接焚烧,造成环境污染和资源  浪费1-2。秸秆是一种优质生物质能,2t秸秆能源  化的热值相当于1t标准煤。推广秸秆能源化利  用,可减少煤、石油等化石能源消耗,改善能源结构,  减少二氧化碳排放,缓解全球气候变化等。秸秆  可黑膜沼气池发酵物质含量较高,产沼气潜力较强,但它的木质


纤维素结构是生产沼气的瓶颈。降解木质纤维素的关键是去除木质素-61。近年来利用生物法预处理  秸秆成为研究热点。生物法常用的是白腐菌。  Ghost8l等发现黄孢原毛平革菌菌丝体有很强的木质素降解能力。黄孢原毛平革菌( Phanerochaete  chrysosporium)是白腐菌的一种,降解木质素能力很  强,现已成为用于研究生物质利用和自然界有机污  染物生物治理的模式生物。本文用黄孢原毛平革菌  对秸秆木质纤维素进行降解预处理,研究其对厌氧  黑膜沼气池发酵产沼气的影响,探索小麦秸秆高效产沼气的方法


1材料与方法


1.1材料

小麦秸秆:收集于南阳郊区,洗净,风干,粉碎,保存。经测定,其总固体含量(TS)为91.45%,主要成分的含量为:纤维素36.5%,半纤维素28.2%,木质素19.6%。菌种:黄孢原毛平革菌( Phanerochaetechrysosporium),中国工业微生物菌种保藏中心。基础培养液”:KH2PO40.20g·L-1,MgSO4·7H2O0.05g·L,CaC20.01gL和1mLL无机盐溶液,维生素B1100mg·L-,吐温-800.05%。无机盐溶液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。

厌氧消化试验所用沼液总固体(TS)的含量为4.88%,挥发性固体(Vs)为65.43%,pH值为7.73


1.2实验方法


1.2.1秸秆的好氧降解试验  

将黄孢原毛平革菌在30℃温度下活化,150  rmin转速摇床培养7d后,用灭菌滤纸过滤,灭  菌水冲洗3次,至滤纸不再滴水。称取秸秆40g于  1000mL锥形瓶中,按固液比1:2加入基础培养液,  自然pH值,加水调节含水率至75%,封口后于  120℃下灭菌30min。冷却至室温后以20%的接种量(以湿重计)接种上述过滤得到的菌体,接种后放入恒温恒湿培养箱,调节湿度75%,好氧条件下,在30℃温度下培养,分别于10d,15d,20d取样,测定纤维素、半纤维素、木质素等指标。每个处理设3个重复。


1.2.2降解产物的厌氧黑膜沼气池发酵试验

黑膜沼气池发酵实验装置见图1。以一个容积为2500mL的锥形瓶作为黑膜沼气池发酵罐,侧壁上共开有两个出口,上方为气样口,下方为液样口,锥形瓶的开口用玻璃管连接集气瓶,集气瓶后连通集液瓶。将黑膜沼气池发酵罐置于35℃的水浴锅中进行黑膜沼气池发酵。气体收集瓶容积为2500mL,采用排水法收集气体,通过测量排出水的体积获得沼气产量。

采用湿黑膜沼气池发酵方法:取预处理10d,15d,25d后黑膜沼气池发酵原料(湿料),加入接种沼液40g(T为2.3%),


加水将黑膜沼气池发酵物总质量调整至60g,此时发的的  TS负荷均为8%。密封后,35℃±1℃下进行厌  醇。对照处理为不加菌体的原料。具体试验边计  表1,每个处理做2个重复

原料物质料重


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


1.2.3测定项目及方法

纤维素、半纤维素和木质素的含量测定采用范  氏法2;产气量的测定采用排水集气法;沿气中  甲烷含量的测定采用GC-9890A气相色谱仪分析  (TCD检测器);干物质的测定采用105℃烘24h  重法;pH值采用雷磁pHS2F型酸度计测定:挥发  性脂肪酸的测定采用比色法。


1.2.4数据整理与统计

数据均用SPSs13.0软件进行处理和统计分析2结果与讨论


2.1降解过程中秸秆木质纤维素含量的变化

由图2可见,黄孢原毛平革菌对木质素、纤维素、半纤维素均有不同程度的降解,对木质素的降舞较为明显,接种20d后,木质素含量分别降到7.3%,降解率为62.75%。木质素、纤维素、半纤维素的降解率均随处理时间延长而增加,20d后对纤维素的降解率为10.9%,对半纤维素的降解率  177%。黄孢原毛平革菌是白腐菌的典型代表  期实验表明,黄孢原毛平革菌接种浓度过高而  响木质纤维素的降解效率,过低则会导致其降解效  果较差。此外,由于木质素的屏障作用被打破,黄


原毛平革菌对半纤维的降解能力也有了显著的提  高。白腐菌改善了秸秆的结构和质地,有利于释放  包裹在木质素和半纤维素中的纤维素,使之变得更  减消化利用,从而达到提高秸秆消化率的目的


2.2秸秆厌氧黑膜沼气池发酵的产酸特征量的变化  

图3是厌氧黑膜沼气池发酵中黑膜沼气池发酵液pH值的变化,各处  理在反应过程中秸秆厌氧黑膜沼气池发酵酸化速度很快,pH值  均在第2天就达到最低值,黄孢原毛平革菌预处理  10d,15d,20d各组的最低值分别为7.3,13,  7.28对照组的最低值为7.15。各处理组的pH值在达到最低值后开始回升第5天至第30天稳定在定范围内,随后显著下降。


图4是厌氧黑膜沼气池发酵中黑膜沼气池发酵液中挥发性脂肪酸浓度  的变化,可以看出,各处理的挥发性脂肪酸浓度在发  酵第2天达到最高,其中黄孢原毛平革菌预处理10  d,15d,25d各组的挥发性脂肪酸最高浓度分别为  1380mg·L-1,1025mg·L-1,1038mg·L。各处理  组的挥发性脂肪酸浓度达到最高值后开始下降,在  第8天达到一个较低的稳定值,而对照组在第15天才达到较低稳定值,并持续到黑膜沼气池发酵结束。结合图3  可以看出,pH值和挥发性脂肪酸的浓度有着相反的变化趋势,挥发性脂肪酸浓度升高时pH值下降。  统计分析可知,挥发性脂肪酸浓度与pH值呈极显  著负相关,表明有机酸的产生是造成黑膜沼气池发酵液中pH值下降的最重要原因。


2.3秸秆厌氧黑膜沼气池发酵的产气特征


2.3.1日产气量

从图5可见,各处理厌氧反应期间的日产气量变化趋势大致相同,均在3-5d达到第1个产气最高峰,微生物将原料中易利用的成分被快速降解,根据气相色谱,甲烷体积分数低于10%,而二氧化碳约为50%,这与此时系统中黑膜沼气池发酵型细菌占优势有关。第1个产气高峰之后,产气量下降且持续一段时间,在25~27d达到第2个产气高峰,此后一直维持在一个较低的产气量水平,直至黑膜沼气池发酵结束。根据气相色谱测定,发现自第6天开始,生物燃气中甲烷的体积分数均高于50%,说明此时已经进入产甲烷的旺盛期。在整个黑膜沼气池发酵过程中,出现第1个峰值的原因可能是由于黑膜沼气池发酵初期,黄袍原毛平革菌的营养相对比较丰富,生长繁殖速度快,从而分泌出大量的木聚糖酶,在此期间由于前期木质纤维素中不仅纤维素和半纤维素得到了有效降解,木质素也有部  分被降解;而后期的第2个峰值出现的原因可能与  黄抱原毛平革菌的次级代谢有关,在黄抱原毛平革  菌的作用下木质素的屏障作用被破坏,有更多的半  纤维素可被黄袍原毛平革菌利用。


2.3.2累积产气量  

对各处理在黑膜沼气池发酵期间的产气进行累积计算,结  果见图6。图6显示,对照组在30d停止产气,而白  腐菌预处理10d,15d,20d的处理组则继续产气直  至黑膜沼气池发酵结束。由黄孢原毛平革菌预处理10d,15d,  累积产气量分别较对照提高了42%,41%。然而,  当黄孢原毛平革菌预处理小麦秸秆超过20d时,木  质素、纤维素虽然进一步降解,但其累积产气量下降  了37%,这是因为黄孢原毛平革菌预处理秸秆的时  间过长,微生物本身生理活动消耗了较多的产沼气底物,同时,它在分解木质素的过程中产生并积累了一些抑制纤维素水解酶活性的代谢产物,从而降低了白腐菌预处理对沼气黑膜沼气池发酵的促进作用。


3结论  

秸秆是典型的木质纤维素,利用纤维素之前必  须把它从木质素和半纤维素包裹中释放出来,而半  纤维素比木质素易降解,因此,纤维素的分解关键就  在于脱除木质素。本文的研究表明,黄孢原毛平革  菌对木质素、纤维素、半纤维素均有不同程度的降解,对木质素的降解较为明显。  各处理组与对照组的挥发性脂肪酸含量无显著  性差异。对挥发性脂肪酸含量与产气量进一步分  析,挥发性脂肪酸的高峰值出现在产气量增加的前  期,这是由于有机酸的大量积累造成pH值降低,从  而影响了产甲烷菌的活性,但挥发性脂肪酸的积累也为甲烷菌生长繁殖提供了大量的物质来源,随着产甲烷菌活性逐步增加,有机酸底物随后被甲烷菌充分利用后形成了产气高峰。经黄孢原毛平革菌处理小麦秸秆后,木质素、半纤维素、纤维素等发生不


同程度的降解,提高了秸秆的沼气产率。


摘自《中国沼气》第三期 柴春月 田龙


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