木质纤维素降解菌系的筛选及其降解特性

旨在为秸秆类木质纤维素沼气工业化奠定科学基础,以滤纸作为纤维素材料对不同发酵原料和发酵时期的沼气池菌系进行驯化和筛选,并研究其中温条件下对麦秸、玉米秸和滤纸的降解特性.采用减重法、分光光度法和蒸馏法分别测定复合菌系在发酵过程中的纤维素降解能力、复合菌系生物量和发酵液中挥发性有机酸.结果显示:发酵原料和发酵时期的菌源纤维素降解能力有较大差异,来自粪便池源的复合菌系在发酵前期纤维素降解力强,而秸秆池源的复合菌系在发酵后期纤维素降解力强.粪源产气稳定期的复合菌系F6的降解能力最强,对纤维素降解能力由高到低依次为滤纸、麦秸和玉米秸.

低温纤维素降解菌系对沼气发酵过程中产酸、产气的影响

将本实验室一组稳定的低温兼性厌氧纤维素降解菌系X1接种到水稻秸秆和牛粪混合沼气发酵底物中,研究其在20℃低温沼气发酵过程中对产酸、产气的影响。结果表明,底物降解时主要产生乙酸、丙酸和丁酸,使pH值下降,处理组处理12 d时乙酸、总挥发性脂肪酸及甲烷含量分别为1.22,2.23 g/L和37.50%,对照组分别为0.47,0.81 g/L和28.50%。处理12 d后随着乙酸含量的逐渐下降,甲烷含量明显提高,15 d为50.20%,24 d达到67.60%,而对照仅为35%和43.30%;总产气量处理较对照提高76.81%。由此可见,菌系X1降解纤维素类物质时为甲烷合成提供了较多的前体物质,有效地提高了甲烷含量和产气量,使产气启动期提前。

瘤胃纤维素降解菌系对灭菌水稻秸秆结构性碳水化合物降解的影响

为了提高水稻秸秆的青贮发酵品质,本研究旨在从黑白花奶牛瘤胃中筛选出具有降解纤维素能力的兼性厌氧复合菌系,探讨其对水稻秸秆青贮过程中结构性碳水化合物降解及发酵品质的影响。试验采集了黑白花奶牛瘤胃内容物,经富集培养、刚果红染色初筛,耐酸诱导,滤纸降解复筛,酶活力测定,获得高效兼性厌氧纤维素降解复合菌系M6。试验设4个处理组:1)水稻秸秆直接自然青贮(CK)组;2)灭菌后水稻秸秆青贮(IRR)组;3)灭菌水稻秸秆接种复合乳酸菌(CLAB)青贮组;4)灭菌水稻秸秆接种复合菌系(M6)青贮组,分别于青贮3、6、15、45、60和90 d后开窖取样分析。结果表明,青贮3 d后,M6处理组pH始终低于其他各组,青贮第60天达到最低值(4.62)。青贮45 d后,M6处理组乳酸含量始终显著高于其他各组(P<0.05),且在青贮90 d达到最高值(23.90 g·kg^(-1)DM)。青贮15d后,中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和纤维素含量在M6组均显著低于其他各组(P<0.05),且在第90天达到最低值。青贮60 d后,IRR和M6组保持较高水平的水溶性碳水化合物含量,其次为CLAB组。综上所述,复合菌系M6在水稻秸秆青贮过程中具有降解粗纤维和促进乳酸发酵的作用,添加纤维素降解复合菌系可有效改善水稻秸秆青贮发酵品质,为青贮添加剂的研发与应用提供了理论依据。

低温纤维素降解复合菌系的选育及性能分析

以腐木和堆肥样品为材料,通过限制性继代培养和混合培养,筛选出一组高效稳定的低温纤维素降解复合菌系Y。对复合菌系Y不同生长阶段pH、酶活、失重率及产物之间的相互关系进行了研究。结果表明,0～6 d为复合菌系Y的对数生长期,4 d内滤纸条完全崩解,在20℃下静置培养10 d,水稻秸秆的降解率达到59%,酶活为103.5 U/mL,主要代谢产物为乙酸,并有少量的丁酸和丙酸,含量分别为1.70、0.21、0.12 g/L,其中乙酸占总挥发酸含量的85%。复合菌系Y适用于以秸秆为原料的低温产沼气发酵。

纤维降解菌系对沼气干发酵底物转化与产气的影响

该研究选育的纤维素降解菌系,在30℃酶活达到118.56 U.mL-1,水稻秸秆发酵10天的失重率可达到53.51%。试验以干牛粪与碎秸秆为底物接种该纤维素降解菌系,在TS为30%,25℃恒温条件下,发酵第15天纤维素、半纤维素降解率较对照组提高54.55%,52.83%;发酵第2天挥发性脂肪酸(VFA)为13.05 g.L-1,最终底物pH稳定在7.5左右;第7天日产气量为1440 mL,甲烷含量为66.3%。与对照组相比,处理组有效加快了干发酵中纤维类物质降解,加速VFA的生成和转化,缩短产气启动期,并且提高干发酵日产气量和甲烷含量。

纤维素降解复合菌系的微生物多样性及关键功能菌解析

为分析纤维素降解复合菌系中微生物多样性及关键功能菌,本研究通过梯度稀释法观察不同梯度下滤纸降解及酶活变化情况,确定复合菌系实现滤纸有效降解的临界点为10-5;在此基础上结合高通量测序技术对不同稀释度下的稀释液进行测序.研究结果表明,具有降解能力的稀释液(稀释度≤10-5)与无降解能力的稀释液(稀释度>10-5)微生物组成差异显著.从门水平热图看,Firmicutes和Proteobacteria为复合菌系的优势菌门;在属水平上,复合菌系中协同降解纤维素的菌株主要属于Clostridium、Petrobacter、Defluviitalea等属,Clostridium属在有降解能力(稀释度≤10-5)的稀释液中丰度较高,而随着稀释度的增大,在无降解能力(稀释度>10-5)的稀释液中几乎消失.经分析判断梭菌属Clostridium是纤维素降解复合菌系的关键功能属,它们与Petrobacter、Defluviitalea等菌属协同作用从而实现纤维素的高效降解.

碳氮比对稻草和猪粪生物处理及厌氧消化的影响

以农业废弃物稻草和猪粪为发酵原料,首次采用纤维素降解复合菌系对稻草和猪粪混合物进行生物处理,通过考察不同碳氮比(25∶1、30∶1、35∶1和40∶1)条件下稻草和猪粪混合物生物预处理的发酵特征及后续的产甲烷能力,探讨了碳氮比对稻草和猪粪的协同生物预处理及厌氧消化效果的影响.结果表明,控制碳氮比为30∶1、料水比为11%时,稻草和猪粪混合物经纤维素降解复合菌系于55℃预处理30 h后其厌氧消化效果最佳.在此条件下,稻草和猪粪降解液中滤纸酶活和羧甲基纤维素酶酶活分别达到了2.18和2.31 IU,其失重率高达41.69%;随后经厌氧发酵后其甲烷产率和产甲烷速率分别可达318.14 m L·g-1(以VS计)和10.61 m L·d-1·g-1(以VS计),且总量为9.9 g的稻草和猪粪混合物的总甲烷产量可达1948 m L,上述结果相对于未经生物预处理的对照组均提高了38%.本研究结果可进一步为其它种类的农作物秸秆和畜禽粪便的高效资源化利用提供理论支撑,展现出了巨大的应用潜力.