分子生物学技术在产甲烷古菌多样性研究中的应用

产甲烷菌在自然界中分布广泛,是一类重要的严格厌氧原核微生物,其参与的产甲烷作用通常发生在厌氧发酵过程的最后一步,可将无机物或有机化合物最终转化成甲烷和二氧化碳。由于产甲烷菌独特的厌氧代谢机制,使其在自然界碳素循环过程中起着重要作用,因此对于产甲烷菌的多样性以及代谢机制的研究越来越受到人们的关注。相对于传统的培养检测方法,分子生物学技术对于产甲烷菌的多样性及其群落结构的检测更为便捷、准确和科学。介绍了产甲烷古菌的系统分类学发展,系统地阐述了产甲烷菌定性和定量的分子生物学检测方法,总结了不同技术在产甲烷菌多样性研究中的最新成果,最后提出多种技术的复合应用将成为研究的热点。

生物膜反应器中添加载体的研究进展

概述了生物膜反应器中有关添加载体的研究进展,及载体的性质对厌氧发酵过程中微生物吸附的影响,通过选择产甲烷古菌亲和力高的载体材料来提高产气效果。

双菌共培养产氢体系的构建及产氢性能的优化

生物发酵产氢是通过高效产氢菌把自然界储存于有机化合物中的化学能转化为氢气的技术。本研究在前期单菌产氢条件优化的基础上,构建丁酸梭菌(Clostridium butyricum LQ25)产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes AJ110637)共培养发酵产氢体系。以葡萄糖为底物,研究共培养发酵体系的产氢性能及其协同效应。结果表明:C.butyricum LQ25与E.aerogenes AJ110637在接菌的体积比9∶1、初始pH 7.0、发酵温度40℃的条件下产氢效率最高,每克葡萄糖产氢量最高可以达到354.05 mL,分别比C.butyricum和E.aerogenes单独发酵高出31.71%和70.59%。在共培养发酵体系中添加1.0 g/L的CaCO 3,可以显著缓解体系的酸化程度,H 2产率比对照组提高了21.80%。与单一菌株纯培养发酵产氢相比,双菌共培养体系产氢率有所提高,体现了C.butyricum和E.aerogenes的协作效应。

以沼液为原料的微生物燃料电池产电降解特性

为提高生物质能源利用效率,降低废水处理成本,实验构建单室无膜空气阴极微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),碳布作为阴阳极材料,将牛粪沼液作为接种液及底物进行产电性能测试,同时考察了MFC对该沼液的降解效果。结果表明,MFC能够利用沼液进行产电,最高输出电压330 mV,内阻10 kΩ,最大功率密度为10.98 mW·m-2,沼液中的不可溶性物质是导致MFC输出电压、功率密度低的重要原因。MFC的运行对沼液中的有机物、氮、磷等物质具有一定的降解能力,24 h内去除率分别达到20.73%、67.82%、72.56%。因此,MFC作为产生电能的新方法,在联合处理沼液等有机废水节能减排方面具有广阔前景。

葛根素及黄豆苷元分离纯化工艺研究

采用HPD800大孔吸附树脂富集葛根中的葛根素及黄豆苷元,并通过溶剂萃取以及重结晶技术分离纯化葛根素及黄豆苷元。试验结果表明:经过大孔吸附树脂富集后,葛根素的纯度从8.62%增加到35.26%、黄豆苷元的纯度从0.276%增加到10.17%;以水饱和的正丁醇作为葛根素萃取溶剂,萃取2次萃取率可达92.32%;选取乙酸乙酯作为黄豆苷元的萃取溶剂,萃取1次萃取率达到94.75%;选取90%乙酸作为葛根素结晶的溶剂,经过1次结晶,葛根素的纯度可达91.32%,收率为12.5%,黄豆苷元的纯度可达93.81%,收率为15.77%。

餐厨垃圾和市政污泥配料比对厌氧产甲烷特性及微生物多样性的影响

在(38±0.5)℃的温度下,研究不同配料比对餐厨垃圾和市政污泥混合厌氧消化过程中系统参数及微生物群落多样性的影响,设定餐厨垃圾和市政污泥的挥发性固体的质量比为1∶0、0∶1、1∶1、1∶2和2∶1,并采用高通量测序技术分析厌氧消化过程中微生物组成的多样性。结果表明:质量比为1∶1的体系混合厌氧消化时,产甲烷效果最佳,单位质量的挥发性固体含量的产甲烷量可达到232.86 L/kg,挥发性固体含量的去除率达46.09%。各个混合比例体系中的优势物种为拟杆菌门(Bacteroidetes)和甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)。在餐厨垃圾中添加市政污泥混合厌氧消化能够提高微生物群落的多样性,促进菌种间的协同作用,进而提升产气效率。

沸石分子筛对CO_2/CH_4混合气的分离效果研究

选取5A沸石分子筛作为脱碳吸附材料,考察了其对CO2及CH4单组份的吸附效果。结果表明,5A分子筛真空解吸在1 h 50 min即可达到解吸、脱碳、再生的目的,且经8次重复吸附-解吸后仍具有较高及较稳定的脱碳效率。将5A分子筛应用到沼气实际分离实验中,在沼气中n(CO2)∶n(CH4)=40∶60的条件下,经单塔处理可达0.17 m3/kg处理量,甲烷纯度可达97%以上,且连续处理速率为0.60 m3/(h·kg),该研究为今后的沼气分离工程提供了技术参数。

利用微生物燃料电池同步降解沼液和三苯基氯化锡

微生物燃料电池(MFC)作为一种同步产电和除污的新型电化学装置,为有效处理难降解有机污染物提供了一种途径。基于阴极Fenton反应,提出了一种耦合典型双室MFC中阳极沼液产电及阴极降解有机锡的新方法。结果表明,阳极产电生物膜经驯化后MFC的最高电压提高了50.32%,而且电压稳定时间延长了1倍。MFC运行结束后,阳极沼液COD、总氮、总磷的去除率分别为85.35%±1.53%、59.20%±5.24%、44.98%±3.57%。阴极三苯基氯化锡(TPTC)的降解率随其初始浓度增加而降低。在添加100μmol·L^(-1) TPTC时,MFC的最高输出电压为280.2m V,最大功率密度为145.62 m W·m-2。TPTC在14 d后完全降解,降解效率为91.88%,降解速率约为0.273μmol·L^(-1)·h^(-1)。研究结果可为利用MFC同步处理阳极有机废水和阴极有机污染物的实际应用提供基础支持。

一株耐盐酵母的分离、鉴定及其生物学特性

以洋河酒厂的酒曲为材料,首先利用盐浓度梯度富集培养和氯化三苯四唑(TTC)染色法初筛获得18株酵母菌株,再通过杜氏小管产气及摇瓶发酵实验,从18株初筛菌株中分离得到1株在1. 4 mol/L NaCl浓度下生长性能较好的菌株,命名为W58。经形态观察和26S rDNA基因序列比对分析,该酵母菌株被鉴定为1株库德里阿兹威氏毕赤酵母(Pichia kudriavzevii)。对菌株的生长性能及耐受性进行研究发现:该菌最适生长温度为30℃,最适pH为6. 0,在高盐条件下(1. 4 mol/L NaCl),其胞内海藻糖的积累显著增加,比对照菌株高28. 6%。此外,菌株W58在高盐条件下,其ATPase活性比对照菌显著提高(约3倍)。综上所述,菌株W58在高盐条件下能通过胞内积累海藻糖以及维持一定的ATPase活性抵抗外界环境压力。

微生物燃料电池(MFC)处理垃圾渗滤液与同步产电性能

微生物燃料电池(MFC)是能在处理有机污染物时产电的装置。着重研究了MFC同步处理老龄垃圾渗滤液和其产电能力。实验在典型双室MFC装置中进行,其中以碳毡为电极材料,活性污泥为接种源,铁氰化钾溶液为阴极液。MFC驯化6个周期后产电达到稳定,此时以垃圾渗滤液和污泥作为阳极液,检测了电池的产电性能及其对垃圾渗滤液的处理效果。结果表明,经过驯化电池的最大功率密度比使用未驯化的电极对照组提高了22倍,达到了439.1 m W/m^2,电池内阻约为1 kΩ。同时扫描电镜(SEM)观察到电极表面形成一层由典型的球菌和杆菌组成的生物膜。电池运行15 d,垃圾渗滤液化学需氧量(COD)、总氮、氨氮的去除率分别达到了(49.05%±1.40%)、(68.95%±1.07%)、(73.54%±0.91%)。本研究为同步产能及处理老龄垃圾渗滤液提供了数据支持。

基于ATRP法制备的触角状亲水性羟胺树脂的吸硼性能的研究

以大分子引发剂氯乙酰化聚苯乙烯微球(PS-acyl-Cl)经原子转移自由基聚合(ATRP)法引发丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)单体的共聚接枝,制得一种触角状亲水性环氧载体(PS-acyl-g-P(AM-co-GMA)),再经二乙醇胺(DEA)的环氧基开环胺化反应,得到一种含多个-NCH2CH2OH螯合配基的多齿-五元螯合环的触角状亲水性羟胺树脂(PS-acyl-g-P(AM-co-GMA)-DEA)。将此树脂用于硼吸附研究,结果表明,PS-acyl-g-P(AM-co-GMA)-DEA树脂对硼的吸附满足Langmuir方程,为单分子层吸附;饱和吸附量约为37.7 mg·g-1,且树脂5 min即可达到吸附平衡,与其它已报道的吸硼树脂相比,该树脂具有更高的吸附量和吸硼速率。吸附动力学研究表明,树脂吸附硼的过程主要由颗粒扩散过程控制。重复使用5次后该树脂的吸附量基本不变,解吸率均在90%以上,重复使用性能良好。

一种新型触角状聚苯乙烯磺酸树脂的合成研究

经氯乙酰聚苯乙烯微球(PS-acyl-Cl)的ATRP接枝聚合,制备了具有触角状聚苯乙烯链的聚苯乙烯树脂(PS-g-LPS),该树脂可快速、高效磺化,经磺化条件的优化,得到一新型的触角状聚苯乙烯磺酸树脂(v HP-SPS-Cat),对v HP-SPS-Cat进行了FT-IR、元素分析、光学显微镜观察及催化酯化。结果表明,v HP-SPS-Cat可克服试剂的物理扩散的阻碍,用于小分子酯或生物柴油的催化合成,而达到高效均相催化的效果。

人工多元产甲烷系统的设计与构建研究进展

随着厌氧消化技术的兴起,生物甲烷作为一种供热与发电的优质能源被广泛关注。废弃物厌氧消化制备生物甲烷至少涉及4个阶段的复杂过程,存在着周期长、转化效率低和能耗高等3个主要技术瓶颈,高效的生物甲烷转化需要更深刻的微观机制剖析和更合理的反应体系设计。从传统混菌厌氧消化技术存在的潜在问题出发,总结了人工生物互营产甲烷体系的特征,阐释了混菌厌氧消化系统的种间电子传递机制,同时提出运用先进合成生物学策略构建高效的产甲烷微生物,解析了电极、半导体元件引入厌氧多细胞产甲烷系统形成新型甲烷光电转化策略的优势,为构建高效稳定的人工多元产甲烷多细胞系统提供理论指导和技术支撑。

温度对产甲烷菌代谢途径和优势菌群结构的影响

产甲烷菌是严格厌氧的古菌,由其完成的产甲烷过程通常是厌氧微生物生化代谢中最重要的限速步骤。温度作为影响产甲烷菌的产甲烷速率重要因素,其变化会改变生物环境中的产甲烷的代谢途径和优势菌群分布。目前已知甲烷生物合成有3条途径:乙酸代谢途径、CO2还原途径和甲基营养型途径。理论上乙酸途径生成的甲烷约占甲烷生成总量的2/3,CO2还原产甲烷途径则约占1/3,甲基营养型途径只在少数情况下考虑其影响,例如盐湖。在低温条件下产甲烷菌以利用乙酸代谢为主;在中温条件下,产甲烷途径以乙酸代谢和H2/CO2还原一定比例存在;在高温和超高温条件下,以只利用CO2还原途径的菌群为主。

酸碱预处理对芦蒿秸秆厌氧发酵的影响

通过对芦蒿秸秆进行酸、碱预处理和厌氧发酵制沼气实验,比较不同的预处理方法对芦蒿秸秆产气性能的影响。结果表明,与对照组相比,碱处理能较好地改善秸秆的产气性能,其中2%NaOH处理效果最好,发酵初期VFA含量高达4882.34 mg·L?1,比对照组提高了705.21%,单位TS固体产气量为288.42 ml·g?1,较对照组提高了17.08%,甲烷含量最高可达61.14%。

汽爆预处理对水稻秸秆纤维结构的影响

利用新型蒸汽爆破技术对水稻秸秆进行预处理,并对预处理后的秸秆进行结构成分测定及表征,以期通过改变秸秆结构成分提高其利用率。结构成分测定及傅里叶变换红外光谱结果表明,汽爆预处理前后秸秆纤维素含量变化不大,半纤维素含量变化大于木质素含量变化;在2.5 MPa、4 min爆破条件下,秸秆半纤维素含量降到最低,脱除率达到67.89%;在2.5 MPa、2 min爆破条件下,秸秆还原糖含量最高,达4.55%,为对照的5.62倍。扫描电镜与X-射线衍射分析结果表明,汽爆预处理后秸秆表面形态变化较大,结晶度随着压力与维压时间增加而增加。蒸汽爆破可快速、简便、高效地将水稻秸秆等生物质原料进行预处理,为实现其高效再利用创造条件。

核桃楸青果皮中胡桃醌的提取工艺

以核桃楸青果皮为原料,以固液比、超声温度、超声时间和超声功率为考察因素,通过单因素试验优选核桃楸青果皮中胡桃醌的最佳提取方法,通过L9(34)正交试验对提取过程进行优化,结果表明,超声辅助提取为最佳提取方法,其最佳工艺条件:提取溶剂为90%乙醇溶液,固液比1 mg∶18 L,超声温度30℃,超声时间30 min,超声功率200 W,此时胡桃醌的提取率为1.72 mg/g。

产γ-聚谷氨酸菌株的诱变选育及其种子液工艺优化

以已筛选的1株产γ-多聚谷氨酸解淀粉芽胞杆菌C1为出发菌株,对其进行紫外线-亚硝基胍(NTG)复合诱变,并运用单因素试验和正交试验设计对诱变菌株的种子培养工艺进行优化。通过复合诱变选育得到1株能够稳定遗传的正突变菌株C1-6,其摇瓶发酵生产γ-PGA的产量由18.4 g/L提高到24.2 g/L,增加了31.5%,且传代8次后仍能保持稳定。通过单因子试验筛选到玉米粉和黄豆粉作为C1-6生长的C源和N源。正交试验后,C1-6在成分为K2HPO41.0 g/L、Mg SO40.5 g/L、黄豆粉15.0 g/L、玉米粉5.0 g/L,p H 6.5的培养基中,37℃、装液量1/5(150 m L三角瓶装液30 m L)的培养条件下可获得较大的生物量,OD600达到6.31。

基于TTC染色法的高活力酵母细胞定量筛选

在2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)染色法及96孔板基础上建立高活力与高产乙醇酵母细胞的同步定量筛选方法。选用体积分数为85%二甲基亚砜作为TTF提取剂,培养液(pH8.0)中TTC添加浓度为0.4%,以96孔板在0%、10%、14%的乙醇浓度下培养27株备选酵母菌株,通过酶标仪测定波长486 nm下TTF吸收值。结果显示TTF吸收值越高,酵母活性越高,并且通过比较酵母活性与其乙醇产量,得出两者在一定程度上呈正相关,即高活性酵母其乙醇产量也较高。共筛得6株具有较高细胞活性的菌株。此方法为高活性、高产乙醇酵母及其他微生物及植物细胞的活性的快速、大量检测提供了一条新途径。

沼气工程罐内盘管加热传热速率与效率分析

国内沼气工程中广泛采用的加热方式——罐内盘管加热。从热力学角度出发,基于热力学第一、第二定律,对影响罐内加热的各因素从传热速率与传热效率方面进行分析。研究表明,从传热速率-总传热系数角度分析,选用热导率在15 W·m-1·K-1以上的厚管壁管径,同时采用低转速的搅拌方式能实现最大化的传热速率。另外,从传热效率-有效能角度对传热过程进行能耗分析,在逆流搅拌下,提高冷物料进口温度可以减少换热的不可逆性,可增加传热过程有效能的利用率。研究结果为实现沼气工程罐内加热过程传热速率与效率统一,达到能量的最优化利用提供理论参考。