沼气发酵的物料理化特性及微生物群落多样性分析

广西大学硕士学位论文沼气发酵的物料理化特性及微生物群落多样性分析姓名：蒋建林申请学位级别：硕士专业：生物化学与分子生物学指导教师：武波20090624沼气发酵的物料理化特性及微生物群落多样性分析摘要本论文通过研究沼气发酵过程中的物料变化，利用变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)对沼气发酵过程不同时期的微生物群落演替及其多样性进行分析，对我们深入研究和阐述沼气发酵过程中的微生物群落的变化规律、微生物群落的功能打下基础，并为提高沼气能源的利用率提供可靠的科学理论依据。我们在实验室中分别建立了三个牛粪和三个猪粪沼气发酵模拟装置，发酵罐有效容积均为4000mL，采用批量式常温发酵工艺。以牛粪和猪粪为原料的发酵罐的初始发酵料液pH值分别为6．7禾117．0，发酵液起始总固体浓度分别为59．039／L、92．629／L。沼气发酵模拟装置投料上罐后，常温下成功发酵3个多月，持续产气约100天。我们对发酵过程中发酵液的pH值、总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、总碳含量(TC)和总氮含量(TN)的变化进行了监测，并分析了产甲烷的规律。结果表明：整个发酵过程大致经历了三个阶段：发酵启动期、发酵稳定期和发酵结束期。发酵过程的pH值变化在6．4-7．2之间；牛粪发酵三个罐的产气率分别为0．285LCH4g-1VS、0．291LCH4g—vs署no．282LCH4g～VS；猪粪发酵三个罐的产气率分别为O．197LCH49—VS、O．193LCI-hg—vs不Ho．213LCH4g小VS。整个发酵前后的总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、总碳含量(TC)、总氮含量(TN)和碳氮比(C／N)都下降。利用变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)，对猪粪沼气发酵过程中的细菌和古细菌群落结构和多样性变化进行了深入的研究。变性梯度凝胶电泳结果表明，发酵启动期、发酵稳定期和发酵结束期的细菌DGGE条带多样性完全不同。整个发酵过程中，有些优势条带随着发酵时间的延长表现为亮度增强，相反有些则减弱，这个结果体现出了细菌结构和多样性的变化。DGGE条带回收后进行测序分析，构建相应的系统进化树，分析沼气发酵过程各个时期的细菌和古细菌的变化规律。我们发现发酵过程中所检测到的微生物与未培养细菌有较高的同源性。整个发酵过程中，细菌的优势类群为Firmicutes、Bacteroidetes和Proteobacteria，其中Firmicutes主要属于Bacilli和Clostridia两个属，另外还检测到了Spirochaetes的活性，这些菌群在发酵过程中起到了重要的作用。在古细菌方面，检测到的产甲烷菌主要为甲烷微菌纲和甲烷杆菌纲，其中以Methanosaetaceae为优势群落，此外则是Methanosarcinales和Methanomicrobiales，另外还检测到了厌氧反应器中较少见的不产甲烷的泉古菌门的热变形菌。本实验初步比较了牛粪和猪粪沼气发酵的特性，分析了猪粪发酵过程中优势微生物群落的变化规律，为最终驯化沼气发酵过程中的优势微生物菌群，提高沼气能源的利用打下了扎实的基础，具有重要的理论意义。关键词：沼气发酵发酵特性变性梯度凝胶电泳古细菌未培养细菌nSTUDYoNTHEPRoPERTIESoFMETHANEFERMENTALTIoNANDDIVERSITYoFTHEMICRooRGANISMSCOMMUNITYINTHEPRoCESSINGoFMETHANEFERMENTAITIoNABSTRACTInthiswork，thechangeoffermentationcharacteristicsandthediversityofthemicroorganismscommunitywereinvestigatedduringtheprocessofmethanefermentationinanaerobicreactorwithDGGE．Itwillimproveourunderstandingofthemicroorganismcommunityduringthemethanefermentationprocess．Threelaboratory—scalebiogasproducingreactorsoperatedwithcattlefecalandanotherthreewithpigmanurewereconstructed．Theefficiencyvolumeofreactorswas4000mL．Themethanefermentationwasperformedbythebatchloadingmethodatnaturetemperature．TheinitialpHvaluesofcattlemanureandpigmanurewere6