pH和发酵时间对厨余垃圾发酵产乳酸及光学特性的影响

通过间歇实验探讨了在中温、非灭菌条件下,pH和发酵时间对厨余垃圾发酵产乳酸及其光学特性的影响.结果表明,采用非灭菌的厨余垃圾发酵产乳酸,发酵液中还原糖浓度低,pH调节到近中性和偏碱性（pH为6～8）的各组还原糖浓度高于偏酸性组（pH=5和pH=4的对照组）;在控制pH为7时,总乳酸产生速率达到0.59 g·(L·h)^-1,单位挥发性固体的乳酸产量达到0.62 g·g^-1;控制pH为7和8时,以有机碳表示的乳酸分别占发酵液总有机碳的78%和89%;控制pH为8时,L-乳酸是主要的异构体形式,单位挥发性固体L-乳酸产量达到0.48 g·g^-1;响应面分析结果表明,发酵时间在120 h前,随着pH升高和发酵时间的延长,发酵液中L-乳酸浓度增大,120 h后则下降;pH和发酵时间对L-乳酸占总乳酸的比例有明显影响：偏酸性条件(未调pH及pH=5),发酵前120 h,该比例随发酵时间逐渐增大,L-乳酸在总乳酸中的比例达到0.9,其后,则逐渐下降;偏碱性条件下(pH=8),L-乳酸在总乳酸中的比例在整个发酵时间段内都保持在0.86以上,在发酵时间48 h时达到0.93,而在pH中性条件下,该比例在发酵后期显著下降;控制pH为8时,可以同时获得高的乳酸产量和光学纯度.     

高含固厨余垃圾垂直流厌氧处理系统的构建与启动

我国厨余垃圾产量巨大，含固率在25%左右，不适于填埋，厨余垃圾处理亟待寻找其他出路.本研究在中温（（37±1）℃）条件下，构建了垂直流厌氧处理系统处理高含固厨余垃圾，并对其启动阶段运行效能及启动后系统微生物群落结构进行了分析.稳定运行后，系统容积负荷为9.79 g·L^-1·d^-1，挥发性固体（VS）降解率为80.57%±4.10%，比产气率（SBP）和比甲烷产率（SMP）分别为（0.748±0.078）L·g^-1·d^-1和（0.405±0.052）L·g^-1·d^-1，系统缓冲能力强，具有良好的产气能力，不存在酸抑制和氨抑制的情况.对不同位置的微生物群落结构进行分析，细菌在反应器主体的优势菌为Chloroflexi菌门中的Levilinea菌属，参与碳水化合物水解酸化的细菌分布较广；古菌的优势菌属则为Methanothrix、Methanobacterium和Methanolinea，均与产甲烷有关.     

甲苯、邻二甲苯和二氯甲烷混合气体降解菌群构建及其性能研究

挥发性有机物（VOCs）排放导致一系列环境问题,而生物法是一项绿色处理技术.本实验选取3种VOCs（甲苯、邻二甲苯、二氯甲烷）作为模型污染物,利用甲苯、邻二甲苯降解菌Zoogloea resiniphila HJ1（菌株HJ1）及二氯甲烷降解菌Methylobacterium rhodesianum H13（菌株H13）构建复合菌株,采用“专属菌+综合菌”模式以复合菌株和驯化污泥构建复合强化菌群.研究表明,复合菌株可完全降解400 mg·L^-1甲苯、256 mg·L^-1邻二甲苯、200 mg·L^-1二氯甲烷,矿化率分别为74.3%、61.1%、82.7%.复合菌株可完全降解480 mg·L^-1混合污染物（3种污染物浓度比为1∶1∶1）,降解速率依次为甲苯>邻二甲苯>二氯甲烷.经过优化,菌株HJ1和菌株H13最佳配比被确定为1∶5.复合强化菌群不仅大幅提高了 邻二甲苯、二氯甲烷降解速率,还提高了混合污染物矿化率.甲苯、邻二甲苯的存在对二氯甲烷降解产生明显抑制效应,而低浓度二氯甲烷 （< 240 mg·L^-1）对甲苯、邻二甲苯降解无明显抑制作用.本研究为VOCs生物净化过程中菌群构建提供数据支撑.     

高效降解1,4-二烷的固态菌剂制备及其性能研究

1,4-二烷污染的生物修复效果很大程度上取决于其降解菌的活性和数量.本研究在前期获得1,4-二烷高效降解菌Xanthobacter flavus DT8的基础上,研究了该菌的扩大培养方法,并制备了易于贮藏和运输的固态菌剂,考察了菌剂的性能.实验结果表明,菌株X. flavus DT8可在富营养培养基中培养,较优的培养基配方为：Na₂HPO₄·12H₂O 1.0 g·L^-1,NH₄Cl 1.0 g·L^-1,MgSO₄·7H₂O 0.2 g·L^-1,酵母粉5.0 g·L^-1,蛋白胨1.0 g·L^-1,丙酮酸钠1.0 g·L^-1,pH 7.0~7.2.X. flavus DT8经发酵罐中扩大培养后,以草炭、硅藻土为载体,经进一步固态发酵制备了固态菌剂,微生物含量为2.17×10¹¹ CFU·g^-1,对1,4-二烷的降解效果明显优于活菌液.该菌剂具有良好的贮藏稳定性,4℃保藏90 d后对100 mg·L^-1的1,4-二烷48 h内去除率为63%;同时具有良好的底物广谱性,对醇类、苯系物和醚类物质也有很好的降解能力.     

三峡小江回水区叶绿素a季节变化及其同主要藻类的相互关系

通过分析三峡小江回水区2007年5月～2008年4月115个样品叶绿素a的季节特点,提出了适用于表征小江回水区叶绿素a与不同藻类细胞密度和生物量的3种状态：Chla≤5 μg·L^-1、5 μg·L^-1-1和Chla>19 μg·L^-1,目的是探讨小江回水区不同水平下Chla与同期各主要藻类细胞密度和生物量的相互关系,为进一步了解三峡水库特定水域藻类季节演替特征提供参考. 全年数据下,小江回水区藻类总细胞密度、生物量和叶绿素a间均呈极显著的正相关关系（R>>0.70,Sig.≤0.01）. 研究期间小江回水区叶绿素a、绿藻、硅藻、蓝藻、甲藻生物量均值分别为(9.58±10.77)、(1605±647)、(707±124)、(511±266)和(4019±1345) μg·L^-1. Chla≤5 μg·L^-1的水平下,绿藻、硅藻与Chla浓度呈显著正相关;5 μg·L^-1-1水平下,仅有蓝藻与Chla含量呈显著正相关关系;Chla>19 μg·L^-1时,甲藻与Chla含量呈显著的正相关关系,但其它藻门与Chla含量无显著相关关系.     

微米零价铁对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化的加强效果及机制

针对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化产气效率不高的问题,通过投加微米零价铁,研究其对厌氧联合消化的强化效果及作用机制.结果说明,零价铁的添加强化了厌氧联合消化的产甲烷阶段,但对溶解、水解及酸化阶段没有明显影响.当零价铁的投加量为10 g·L^-1时,经过15 d的厌氧消化,累积甲烷产量（以VS计）达到238.68 mL·g^-1,相比于空白组提高了20.05%.机制分析表明：零价铁提高了系统的电子传递体系（ETS）活性,当零价铁投加量为10 g·L^-1时,最终的ETS活性（以INTF/TS计）达到21.50 mg·（g·h）^-1,而空白组仅为13.43 mg·（g·h）^-1.此外,零价铁还强化了细菌和产甲烷菌之间的直接性种间电子传递（DIET）,微生物群落的变化显示DIET相关的微生物,例如Syntrophomonas、Methanosarcina和Methanobacterium,在有零价铁添加的条件下显示出更高的丰度.     

裂片石莼和土霉素复合压力下弧菌群落及耐药基因变化特性研究

近年来,水产养殖病源弧菌污染及其耐药性问题备受关注,本研究首次采用宏基因组测序技术分析了海水养殖沉积物在大型海藻裂片石莼（12 g·L^-1）与不同浓度（0、10、100、500 μg·L^-1）土霉素作用3个月后,弧菌群落结构及其耐药基因变化特性.结果表明,经裂片石莼诱导培养后,沉积物中弧菌属相对丰度降低了0.22%,但对弧菌多样性和弧菌耐药基因含量提升明显.裂片石莼和土霉素复合压力下,100 μg·L^-1土霉素对弧菌群落多样性及弧菌耐药基因影响最大,而500 μg·L^-1对其影响最小.沉积物弧菌属共检测出21种耐药基因,多为BL1_fox、BL2be_per、BL2_veb等β-内酰胺类耐药基因.裂片石莼能减少耐药基因tetPB富集,而进一步添加土霉素能诱导产生VatB、BcrA耐药基因.此外,弧菌耐药基因迁移与转化还受弧菌群落结构变化影响.     

有机负荷和温度波动对厌氧菌群及酶活影响

基于太阳能辅热厌氧消化反应器进行餐厨垃圾半连续发酵试验,探究了温度波动和有机负荷调控（OLR=2.0、4.0、6.0、7.0 kg·m^-3·d^-1）对甲烷产量、酶活性变化和微生物群落结构的影响.结果表明,反应器可以在OLR为2.0 kg·m^-3·d^-1下稳定运行并在6.0 kg·m^-3·d^-1时实现最佳甲烷生产效率,虽然太阳能组比电能组减少了4倍能耗,但热辐射不稳定导致太阳能组发酵温度波动,甲烷平均产量比电能组减少21%.此外,蛋白酶在温度波动环境下表现出较高活性,但脂肪酶和淀粉酶活性却受到抑制.高通测序结果表明,低OLR阶段乙酸型产甲烷菌Methanosaeta活性较强,随着OLR递增氢营养型产甲烷菌Methanoregula和Methanospirillum相对丰度逐渐提高,而试验全过程中水解细菌Firmicutes相对丰度维持在62%~95%,占据主导地位.     

明亮发光杆菌培养的响应面优化及其对常见金属离子的毒性评价研究

随着人们对金属毒性认识的不断深入,对生物毒性检测方法的灵敏度提出了更高的要求.以发光度为响应值,通过响应面法对传统的明亮发光杆菌（Photobacterium phosphoreum）培养基中主要组分的浓度进行了优化,得到了最佳培养基组成：氯化钠（25.00 g·L^-1）、胰蛋白胨（4.010 g·L^-1）、酵母浸出液（1.200 g·L^-1）、甘油（2.475 g·L^-1）,在此条件下培养14 h后,发光细菌的发光度达到1.7×10⁹ RLU,比优化前增加了1倍, 菌浓度达到0.85,较优化前增加了5%.在优化培养基组分浓度的基础上,对其他条件（接种量、pH值、温度）进行了单因素发光度影响分析,发现在接种量1% （初始种子液OD₅₉₅为0.003）,测定环境22~25 ℃,样品pH值为6~8的条件下,利用优化培养基进行急性毒性测定基本不会影响发光度.随后,基于优化后的培养条件对常见金属离子的急性毒性进行了评价,结果表明：除Fe²⁺、Zn²⁺、K⁺外,优化条件培养的明亮发光杆菌对其余金属离子的灵敏度都有所提高,其中对Cr⁶⁺毒性的灵敏度提高最大,其检出限从1.0 mg·L^-1 提高到0.15 mg·L^-1,IC₅₀下降了47.13% （由7.818 mg·L^-1下降到4.133 mg·L^-1）,能更好地满足不同行业对Cr⁶⁺检出限的要求.本实验提出了一种通过优化培养基来提高金属离子毒性测定灵敏度的方法.     

pH值对易腐有机垃圾厌氧发酵产物分布的影响

易腐有机垃圾的厌氧发酵(水解和酸化)程度和发酵类型受pH值的影响.批式实验结果表明:发酵液pH=7时有利于微生物的生长繁殖,从而促进碳水化合物的水解和酸化过程,还能促进可溶性蛋白的酸化过程.在不同pH值条件下,易腐有机垃圾的基本发酵类型为:pH=7时主要进行丁酸发酵;pH=8时丁酸发酵类型逐渐占优势;而pH=5时丙酸发酵类型逐渐占优势.乳酸是酸化初期的主要产物,但在发酵液的pH=5和pH=7条件下,乳酸可被微生物进一步代谢,而pH=8时乳酸却未能被代谢.在酸化初期醇的产生量大于挥发性脂肪酸,酸化后期pH=5和pH=7时挥发性脂肪酸与醇产生量比值为1.2～1.5∶1,而pH=8时两者比值为1.6～2.5∶1.pH为5、7和8三者的水解速率常数k_h分别为0.000 8 h^-1、0.000 9 h^-1和0.000 2h^-1.pH=7在反应时间t>100 h以后,发酵液中可溶态总有机碳全部由酸化产物组成,酸化完全;而pH=5和pH=8达到酸化完全的反应时间分别为t>300 h和t>600 h.     

食物垃圾开放式乳酸发酵的实验研究

利用食物垃圾发酵生产乳酸,是实现其资源化的有效途径之一.底物不灭菌的开放式发酵,是一种简单、有效的利用食物垃圾生产乳酸的方式.通过对发酵过程中ρ(乳酸),ρ(总糖),ρ(可溶性糖)以及细菌数量变化的研究,对开放式发酵的机理进行了分析.结果表明:食物垃圾适于作为乳酸发酵的底物,在不投加任何营养物质的条件下,能促进乳酸菌的大量增殖.采用开放式发酵,可从食物垃圾产生36.29 g/L的乳酸,远高于封闭式发酵(底物灭菌).垃圾中土著菌群在开放式发酵中起到了分解复杂多糖和为乳酸菌提供可发酵性底物的作用,从而提高ρ(乳酸).      

餐厨垃圾乳酸发酵过程中的微生物多样性分析

采用PCR-DGGE等分析手段,研究了餐厨垃圾乳酸发酵过程中的微生物种群动态变化.结果表明,餐厨垃圾不灭菌而接种的开放式发酵体系中微生物的多样性高于灭菌后接种的非开放式发酵体系,而乳酸产量也是前者高于后者.说明发酵体系中的微生物多样性与乳酸产量有很大的相关性.通过对部分条带的测序可知,餐厨垃圾开放式发酵体系中除含有接种用的嗜淀粉乳杆菌外,还含有很多土著乳酸菌,如Lactobacillus sp.、Lactobacillus casei和Lactobacillus plantarum,以及土著水解菌,如假单胞菌属(Pseudomonas sp.)等,这些土著菌的存在是促进乳酸发酵的重要因素.PCR-DGGE结合技术对于成分复杂的餐厨垃圾中的细菌种群结构的动态变化分析是可行的.     

Zn2+及Fe3+对嗜淀粉乳杆菌开放式发酵产乳酸的影响

研究了在餐厨垃圾中接种嗜淀粉乳杆菌进行开放式乳酸发酵(即发酵原料不灭菌)的可行性,探讨了添加Fe3+、Zn2+的发酵体系中相关酶活与代谢产物的关系.结果表明,开放式发酵体系的乳酸产量高于非开放式发酵体系.加Fe3+体系的乳酸脱氢酶活性较高,导致乳酸产量增加(最高达29.5g/L),比未添加微量元素的对照体系增加了24.2%;而加Zn2+体系的乙醇脱氢酶(ADH)活性较高,导致副产物乙醇产量的增加,从而使乳酸产量低于对照体系;添加不同微量元素时嗜淀粉乳杆菌对底物中淀粉的利用率由高到低的顺序为:加Fe3+体系(65.7%) > 对照体系 (38.5%)>Zn2+体系(28.1%).此外,在嗜淀粉乳酸菌的发酵体系中,蔗糖和麦芽糖比乳糖容易降解成葡萄糖,果糖,最终被乳酸菌利用.     

秸秆发酵乳酸菌复合系SFC-2的构建及其组成多样性研究

为了获得促进作物干秸秆乳酸发酵的微生物,以玉米秸秆和水稻秸秆的自然发酵物为菌种来源,用MRS蔗糖培养基,通过连续定向继代培养,筛选出pH下降迅速、乳酸含量高、组成稳定的乳酸菌复合系SFC-2.DGGE分析表明,SFC-2经过连续继代培养,从第25代开始其微生物组成基本稳定.SFC-2 培养12 h后pH下降至3.8,乳酸含量达10.64 mg/mL,其中64%为L-(+) 乳酸.通过平板分离获得4株细菌,全部为Lactobacillus,其近缘种分别为L. fermentum、L. plantarum、L. paracasei和L. paracasei sub sp.;通过16S rDNA克隆文库分析获得7个克隆,其近缘种主要为L. fermentum、L. plantarum及L.paracasei;在16S rDNA的克隆文库中,76.3%为L. fermentum的近缘种,20.3%为L. plantarum的近缘种,3.4%为L. paracasei的近缘种.     

真空冷冻干燥乳酸菌的研究进展

介绍了真空冷冻干燥的原理,乳酸菌干粉发酵剂的生产工艺,影响乳酸菌冷冻干燥存活率的因素等,并对如何提高冷冻干燥菌种的存活率进行了探讨.认为影响乳酸菌存活的因素主要有菌种自身的因素、冻干对菌种的伤害以及保护剂的作用.故应该从以下两个方面深化研究:一是继续深入研究菌种的冻伤机理,设置合理的冷冻干燥程序;二是研发高效、经济的冷冻干燥保护剂和再水化剂,既要最大限度地保障菌种的存活率又要经济实用.     

氧化铁投加方式对餐厨垃圾厌氧消化产气的影响

氧化铁可以促进产甲烷菌的代谢活动,从而加快厌氧消化体系的产甲烷速率。通过设计3组反应器,探究了不同的氧化铁添加方式对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响:包括空白组A(餐厨垃圾+厌氧污泥),以及2个实验组B(餐厨垃圾+厌氧污泥,48 h后投加氧化铁)和C(餐厨垃圾+厌氧污泥+氧化铁)。结果表明:反应器A酸化严重,进入长期产甲烷抑制状态;反应器B可以解除酸抑制,恢复体系产甲烷能力,但需要较长的启动期;反应器C则能较快达到产甲烷阶段。此外,截止到第54天实验结束,反应器C的累积产甲烷量(48 349 m L)高于B(35 665 m L)。对于餐厨垃圾厌氧消化,投加氧化铁可解除体系酸抑制,恢复其产甲烷能力。而在厌氧消化初期加入氧化铁可以更快地解除酸抑制,并促成更高的产甲烷速率。     

Influence of lactic acid on the two-phase anaerobic digestion of kitchen wastes

To evaluate the influence of lactic acid on the methanogenesis, anaerobic digestion of kitchen wastes was firstly conducted in a two-phase anaerobic digestion process, and performance of two digesters fed with lactic acid and glucose was subsequently compared. The results showed that the lactic acid was the main fermentation products of hydrolysis-acidification stage in the two-phase anaerobic digestion process for kitchen wastes. The lactic acid concentration constituted approximately 50% of the chemical oxygen demand （COD） concentration in the hydrolysis-acidification liquid. The maximum organic loading rate was lower in the digester fed with lactic acid than that fed with glucose. Volatile fatty acids （VFAs） and COD removal were deteriorated in the methanogenic reactor fed with lactic acid compared to that fed with glucose. The specific methanogenic activity （SMA） declined to 0.343 g COD/（gVSS-d） when the COD loading were designated as 18.8 g/（L-d） in the digester fed with lactic acid. The propionic acid accumulation occurred due to the high concentration of lactic acid fed. It could be concluded that avoiding the presence of the lactic acid is necessary in the hydrolysis-acidification process for the improvement of the two-phase anaerobic digestion process of kitchen wastes.     

糟液循环对开放式餐厨垃圾乙醇发酵的影响及工艺改进

在前人研究的基础上对餐厨垃圾乙醇发酵糟液进行多次循环使用,以减少废液的排放量.重点考察了糟液循环对餐厨垃圾产乙醇的影响.结果表明:当未经处理的乙醇糟液在全回流条件下,对乙醇发酵产生明显抑制,全循环4次后乙醇产量由28.4g/L 降至2.56g/L.随着循环利用次数的增加,乳酸、SS、DS和盐分均产生积累,分别达5.45、64.7、99.5和12.3g/L.为提高糟液循环次数,本研究采用2/3的糟液回流和絮凝处理后全回流的方式,其糟液循环利用7次后,前者乙醇产生量维持在25.5~35.5g/L,而后者的乙醇产量在12.2~32.4g/L.糟液2/3回流循环效果要优于絮凝处理后全回流的方式,今后需考虑两者相结合进行糟液循环的方式.     

米曲霉发酵厨余垃圾制备富酶产物的研究

为了探讨利用微生物发酵厨余垃圾产酶的最佳条件,实现厨余垃圾高值资源化,选取米曲霉为试验菌种,基于米曲霉BNCC142787 (简称“米曲霉B”)、米曲霉CGMCC3.4427 (简称“米曲霉C”)的生长特性解析,研究不同培养方式(静置、振荡)和培养温度(30、35、40 ℃)对米曲霉好氧发酵厨余垃圾产酶性能的影响. 结果表明:米曲霉B和米曲霉C分别在30 ℃和40 ℃、pH为6的培养条件下生长最佳;与静置培养相比,振荡培养可显著提高米曲霉菌丝体的形成和生长速率,促进淀粉酶和蛋白酶分泌. 米曲霉B在40 ℃下厨余垃圾好氧发酵48 h时蛋白酶活性最高,为66.64 U/g;在30 ℃下好氧发酵48 h时,其淀粉酶活性最佳,为129.44 U/g. 米曲霉C在40 ℃下、厨余垃圾好氧发酵96 h时蛋白质酶和淀粉酶活性均达到最高,分别为64.02和131.11 U/g. 研究显示,米曲霉B和米曲霉C产生蛋白酶与淀粉酶的能力相当,但米曲霉B生长速率快,所需发酵时间短,可在温和的条件下实现产酶,因此采用米曲霉B在40 ℃、好氧发酵48 h条件下进行酶源制备,可充分利用厨余垃圾中的营养物质获得富含淀粉酶和蛋白酶的产物,具有显著的应用潜力.