秸秆类生物质暗发酵产氢关键参数优化及其机理研究

【摘要】氢能因其具有高效、清洁、无污染的特点被公认为最具发展前景的能源之一。在诸多的制氢方法中，生物制氢因其能够在常温常压下操作而备受关注。与光合制氢相比，暗发酵制氢具有产氢速率高、不依赖光照、设备简单、易操作、能够实现废弃生物质资源化等特点而最具产业化前景。目前，该技术普遍存在产氢率低、发酵底物成本高等问题，成为制约暗发酵制氢产业化的主要技术瓶颈。基于此，本文在探寻天然菌源预处理方法的基础上，从高效生物制氢反应器中分离、筛选得到一株底物利用范围广的高效兼性厌氧菌，对其产氢特性进行了研究，并从生化工程的角度对其中的NADH产氢途径进行调控；之后，从降低运行成本的角度，筛选分离在中温条件下能够直接利用未经过预处理的秸秆类生物质高效发酵产氢的微生物，进行菌种鉴定及相关的产氢特性研究。具体内容如下：1．探寻新的菌源预处理方式。系统考察了微波辐射预处理对混合菌源产氢性能的综合影响。结果显示：采用微波辐射对牛粪堆肥进行预处理，能够有效抑制或杀灭嗜氢菌，而保留产氢菌的活性。以20g/L酸解玉米秸秆为底物，利用微波辐射1.5min预处理的牛粪堆肥为菌源，在Na2CO3添加量800mg/L，Fe添加量400mg/L时，产氢量最大，达到144.3ml/g。与其它菌源预处理方式相比，该方法操作安全简单，能耗低，耗时少，且菌源产氢能力更高。通过AFM，蛋白浓度测定和PCR-DGGE技术研究了微波辐射作用机理在于：微波辐射能够对菌源中微生物细胞壁造成不同程度的损伤和破坏，进而影响微生物细胞的通透性；此外，微波还能对微生物的基因组DNA造成不同程度的损伤，由此导致对微波辐射敏感的嗜氢菌的失活或杀灭；而主要的产氢菌形成的芽孢具有极强的耐辐射和耐热能力，短时的微波辐射不会对其造成损伤，产氢菌的活性得以保持。2．从生物制氢反应器中分离得到一株高效兼性厌氧产氢菌。首先对其进行形态学特征及生理生化特性研究，结合菌株16SrDNA序列分析，确定该菌株的种属分类。对菌株产氢特性进行研究：菌株Bacillussp.FS2011能利用多种碳、氮源产氢。以葡萄糖为底物时，最大产氢量为2.26mol/mol。发酵液的初始pH和培养温度对菌株产氢活性有影响，初始pH6.98、35℃为该菌种发酵产氢较为适宜的条件。在单因素实验的基础上，采用Plackett-Burman试验设计法及响应面分析法对菌株Bacillussp.FS2011发酵产氢条件进行优化。首先采用Plackett-Burman试验设计法筛选出影响菌株产氢的主要因素：葡萄糖浓度、牛肉膏浓度和磷酸缓冲液浓度。在此基础上，利用最陡爬坡路径大致确定最大响应区域，最后利用Box-Behnken试验设计及响应面法进行回归分析。结果表明，三个主要因素的浓度变化显著影响氢气产量。通过求解回归方程，确定最优产氢条件：当葡萄糖浓度13.52g/L，牛肉膏浓度1.95g/L，磷酸缓冲液浓度19.36mmol/L时，氢气产量达到理论最大值3079.0ml/L，实际产氢量达到3081.2ml/L。3．对Bacillussp.FS2011中NADH产氢途径进行强化。首先，在培养基中使用与葡萄糖结构类似，氧化还原状态不同的底物作为碳源进行发酵产氢试验，确定FS2011胞内存在NADH产氢途径。采用丙酮酸脱氢酶系E1抑制剂对菌源产氢过程进行干涉，以期能够充分发挥NADH产氢途径的作用。首先考察了抑制剂浓度对兼性厌氧纯菌和混合菌源发酵产氢量的影响。之后，考察了特定浓度抑制剂的添加对兼性厌氧纯菌和混合菌源产氢性能的综合影响。结果发现，添加适量的抑制剂能够有效提高发酵体系的氢气产量，同时降低体系中乙酸和丁酸等副产物的生成，降低了后续发酵废水的处理难度。4．从利用生玉米秸秆驯化的生物制氢反应器中分离得到一株能够在中温条件下，不经过底物预处理，高效利用生玉米秸秆发酵产氢的细菌。根据其形态学特征及生理生化特性，并结合菌株16SrDNA序列分析，确定菌株FS3的种属分类。菌株Clostridiumsp.FS3能利用多种碳源产氢。以生玉米秸秆和酸解秸秆为底物时，产氢量分别为73.1和75.3ml/g-cornstalk，初步判断该菌株能够直接利用秸秆中的半纤维素产氢。在单因素实验的基础上，采用响应面分析法对Clostridiumsp.FS3发酵产氢培养基进行优化。利用Box-Behnken试验设计及响应面分析法进行回归分析。结果表明，碳酸氢铵、磷酸二氢钾和营养液的浓度变化能够显著影响氢气产量，通过求解回归方程得到如下结论：当生玉米秸秆浓度20g/L，碳酸氢铵浓度1.76g/L，磷酸二氢钾浓度0.91g/L，营养液的添加量为10.4ml/L时，氢气产量达到理论最大值94.1ml/g，实际产氢量达到92.9ml/g。Clostridiumsp.FS3作为能够在中温条件下直接利用纤维素类生物质发酵产氢的优良菌种，在生物制氢中有较好的应用前景。
【作者】宋朝霞；
【导师】樊耀亭；
【作者基本信息】郑州大学，应用化学，2014，博士
【关键词】菌源预处理；微波辐射；产氢菌筛选；Bacillus.sp.；NADH；生玉米秸秆；Clostridium；

【参考文献】
[1]卢景丽,徐章艳,刘美玲,区玉明.一种改进的负关联规则挖掘算法[J].广西师范大学学报(自然科学版),2004,02:41-46.
[2]江少林.我国刑事法制视野下的恢复性司法研究[D].吉林大学,法律,2013,硕士.
[3]张欢.A公司对日软件开发的品质管理研究[D].吉林大学,工商管理,2014,硕士.
[4]沈宇.磁性Fe_3O_4/壳聚糖的改性及其去除水中染料和氟离子的研究[D].浙江工业大学,2012.
[5]袁宏毅.Survivin在腺性膀胱炎与膀胱腺癌中的表达及临床意义[D].桂林医学院,外科学,2012,硕士.
[6]孙邦平.在沪农民工求职过程中的社会网络研究[D].华东师范大学,社会学,2004,硕士.
[7]康珂.产业结构调整机制研究[D].中共中央党校,政治经济学,2014,博士.
[8]熊朔.基于系统功能语言学的恩施方言句末语气词研究[D].华中师范大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[9]朱晓艳.基于联吡啶钌的电致化学发光新方法研究[D].南昌大学,2011.
[10]林月悦.译者主体性视域下的许渊冲及宇文所安唐诗英译对比研究[D].北京外国语大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[11]任明枢.Web数据挖掘及其在电子商务中的应用[D].山东科技大学,2004.
[12]陈阳.电感耦合等离子体原子发射光谱法和原子吸收光谱法在药品质量控制中的应用[D].复旦大学,药物分析学,2012,硕士.
[13]付红梅,朱光明,王宗瑶,宋鑫月.纳米材料改性聚酰亚胺研究进展[J].中国塑料,2015,02:1-7.
[14]孙烨歆.基于债务结构的控股股东利益侵占约束问题研究[D].东北大学,会计学,2010,硕士.
[15]许崇勇,田孜强,王滨生.摆动剪切机的主体结构及工作方式[J].一重技术.2001(04)
[16]任翔宇.苝和芘衍生物的共自组装结构的研究[D].天津科技大学,材料加工工程,2010,硕士.
[17]于钧如.中国传统绘画中线的表现形式[D].吉林大学,美术学,2013,硕士.
[18]胡文斌.基于SVM算法的微小RNA靶标预测研究[D].南京农业大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[19]贾伟伟.基于路由追踪的IP定位优化[D].郑州大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[20]程诚.新课程背景下的高中语文古典诗歌教学策略探究[D].西北师范大学,教育,2013,硕士.
[21]周军.生猪养殖规模与主产地移动、温室气体排放研究[D].南京农业大学,农业经济管理,2012,硕士.
[22]陈予吒.基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式系统设计与实现[D].浙江大学,控制理论与控制工程,2004,硕士.
[23]李双跃.天津地区植物景观设计研究[D].天津大学,风景园林,2013,硕士.
[24]王漪,于继来,柳焯.基于月度竞价空间滚动均衡化的年中标电量分解[J].电力系统自动化,2006,17:24-27+64.
[25]彭任远.我国村镇银行法律问题研究[D].云南财经大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[26]张伟明.面向人体机能需求的寒地冰雪景观主题公园交互设计研究[J].设计,2015,03:49-51.
[27]邹卫平.砂型铸造K4169合金组织与力学性能研究[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2012,硕士.
[28]吴笑吾.认知抑制对中国英语学习者句法移位加工的影响[D].扬州大学,英语语言文学,2012,硕士.
[29]熊力娟.心率变异性对器质性心脏病患者室性心律失常发生的预测价值及其相关分析[D].南昌大学,内科学,2014,硕士.
[30]李秀丽.基于小波变换的心电QRS波群检测算法的研究[D].山东大学,生物医学工程,2013,硕士.
[31]白杨.地方财政科技投入绩效评价指标体系构建与应用研究[D].重庆大学,技术经济及管理,2014,硕士.
[32]张淑敏.碳酸盐岩石油物探技术国际研讨会(1990.8)在成都举行[J].石油地球物理勘探,1990,05:563.
[33]宋丹,傅明.基于多种群的自适应免疫进化计算[J].控制与决策,2005,11:53-57+62.
[34]张超.行政单位内部控制应用研究[D].首都经济贸易大学,会计（专业学位）,2014,硕士.
[35]赵奕清.基于哈佛分析框架下三安光电财务报表分析[D].厦门大学,工商管理,2014,硕士.
[36]田甜.生酮饮食对新生期反复惊厥远期神经行为损伤及发芽相关分子表达的影响[D].苏州大学,儿科学,2013,硕士.
[37]黄晓强.钙钛矿结构钛酸铅二维纳米结构的水热合成及其在CO催化氧化上的应用[D].浙江大学,材料科学与工程,2014,硕士.
[38]李春艳.机动车责任保险中第三人请求权实务研究[D].黑龙江大学,法律,2013,硕士.
[39]余少文.正式制度环境、政治关联对科技企业技术创新投入的影响研究[D].安徽大学,技术经济及管理,2014,硕士.
[40]李帅.面向交通安全信息传输的车联网MAC机制研究[D].重庆交通大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[41]韩苏川,秦晓萍.我国智能网的建设简况及设备配置[J].邮电商情.1998(09)
[42]罗晋军.葛洲坝500kV直流换流站谐波测试与分析[D].重庆大学,电气工程,2003,硕士.
[43]周治邦.TMR-FS计算机控制系统的基本研究[J].自动化学报,1990,05:478-480.
[44]刘利红.补肾化瘀方对PCOS肾虚血瘀证患者整合素α_Vβ_3表达的影响[D].湖南中医药大学,中医妇科学（专业学位）,2013,硕士.
[45]刘长海.考虑后续工序的批综合调度研究[D].哈尔滨理工大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[46]张文玲.农村公共服务供给中的不同决策力量互动关系[D].浙江财经学院,财政学,2013,硕士.
[47]高文博.技术创新经济学述评[D].吉林大学,西方经济学,2004,硕士.
[48]何金海.物流园区共同配送车辆调度优化研究[D].西南交通大学,交通运输规划与管理,2014,硕士.
[49]邵龙.基于面向对象与集成学习的遥感影像分类方法研究[D].中国地质大学（北京）,摄影测量与遥感,2013,硕士.
[50]党鹏刚.人工湿地处理农村生活污水试验研究及应用[D].西安建筑科技大学,环境工程,2013,硕士.