丁酸梭菌YM-83产氢影响因素的研究

丁酸梭菌是一株厌氧发酵产氢细菌,可以参与高浓度有机废水的厌氧发酵过程,在降解高浓度有机废水的同时制取氢能源。为了确定L-cys和金属离子对丁酸梭菌YM-83产氢能力的影响,文章通过间歇实验对其进行产氢培养优化,确定其最适产氢的L-cys和金属离子浓度。研究结果表明,丁酸梭菌YM-83的最适生长和产氢的L-cys浓度均为1.0 g/L,最适生长和产氢的Mg~(2+)浓度均为0.15g/L,最适生长和产氢的铁元素类型均为Fe~(2+),其最适浓度均为0.2 g/L。在此条件下,获得的最大比产氢率为2.15 mol H2/mol glucose,单位体积产氢量为5 360 mL/L culture,细胞干重为1.04 g/L。丁酸梭菌YM-83是一株产氢能力良好的厌氧发酵产氢细菌,可以实现厌氧发酵的高效产氢。     

荧光原位杂交技术解析发酵产氢细菌群落结构

应用荧光原位杂交(FISH)技术,研究了连续流搅拌槽式(CSTR)发酵制氢反应器中2种产氢发酵类型的菌群组成和发酵类型转化过程中的菌群种类和数量变化及其对产氢速率、生物量和发酵产物的影响.结果表明,梭菌属和肠杆菌科在决定产氢发酵类型方面有重要作用.以梭菌为优势种群的乙醇型发酵比以肠杆菌为优势种群的丁酸型发酵具有更佳的产氢能力.实验结果能够与生物发酵系统常规监测指标形成很好的印证.     

菌株Enterococcus sp.ZQ21异化还原Fe(Ⅲ)及产氢性质分析

一些发酵型异化铁还原细菌同时具有异化铁还原与产氢的能力,该类细菌在环境污染修复的同时能够解决能源问题,具有广阔应用前景。本文以海洋沉积物中异化铁还原细菌Enterococcus sp. ZQ21为研究对象,设置不同形态Fe(Ⅲ),分析菌株ZQ21异化铁还原与产氢性质。结果表明,当氢氧化铁和柠檬酸铁为电子受体时,菌株ZQ21以柠檬酸铁为电子受体时Fe(Ⅲ)还原效率较高,其酶活性分别为3.66 U和4.40 U。同时,菌株ZQ21在异化铁还原培养体系中具有产氢能力,以柠檬酸铁和氢氧化铁为电子受体进行厌氧发酵培养时,体系累积产氢量分别为(1395.30 ± 4.79）mL/L和（174.30 ± 3.23）mL/L,均显著高于对照组[(23.20 ± 2.09) mL/L]。通过液相发酵产物分析,在柠檬酸铁和氢氧化铁不同形态Fe(Ⅲ)培养条件下,菌株ZQ21分别表现出乙醇型发酵和丁酸型发酵产氢代谢类型。菌株Enterococcus sp. ZQ21具有异化铁还原和产氢能力,进一步拓宽发酵型异化铁还原细菌种质资源。     

C/N对污泥厌氧发酵产酸类型及代谢途径的影响

研究了污泥的初始C/N对污泥发酵产酸类型的影响及产酸代谢途径.初始C/N在12时,形成的是乙酸型发酵类型;当初始C/N在56左右,可实现丙酸型发酵类型;而当C/N处于156时,则形成丁酸型发酵.不同发酵产酸类型的形成是由优势产酸菌群的改变导致的.末端限制性片段长度多态性分析(T-RFLP)微生物种群的结果表明,构成乙酸型发酵类型的主要优势菌群为消化链球菌属;而丙酸型发酵类型中的优势菌群则为丙酸杆菌属;梭菌属则是丁酸型发酵类型中的优势产酸功能菌.有机酸代谢途径中关键酶活性检测结果表明,在低C/N条件下,乙酸的累积主要是通过氨基酸之间的Stickland反应形成,而随着C/N值的增大,导致丙酸和丁酸累积的主要代谢途径转变为糖酵解的丙酮酸途径.     

产氢反应器内两种发酵类型细菌的种群结构与发酵特征

通过改变CSTR系统内pH值,启动发酵类型由乙醇型向丁酸型转化,研究了转化前后系统内产氢动态和细菌群落变迁.结果表明,在有机负荷不变的情况下,启动发酵类型转化15d后,系统内种群由乙醇型转化为丁酸型,消耗碱度量由350mg.L-1增至1720mg.L-1,平均比产氢速率由21.2mol.kg-.1d-1降低至11.1mol.kg-.1d-1.荧光原位杂交技术(FISH)对反应系统内3类微生物群的监测结果表明,未启动转化时,肠杆菌、梭菌Ⅰ、Ⅱ和梭菌Ⅺ的相对丰度分别为22%、48%和30%,转化结束后,3类细菌的相对丰度为19%、24%和55%.     

不同底物种类对厌氧发酵产氢的影响

在批式培养试验中以人工配置的废水为原料,以厌氧消化污泥作为天然产氢菌源,通过厌氧生物发酵制备生物氢气,研究了不同底物葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、木糖、乳糖对产氢能力的影响,以及生物制氢发酵过程中液相组成的变化,并对产氢动力学和细菌生长动力学进行了分析.结果表明,5种底物中最佳的底物是葡萄糖,氢气含量、累积产氢量和氢气产量最高可达到49.52%、67.21 L/mol、3.23 mol/mol.发酵产氢代谢产物以丁酸和乙酸为主,乙酸的含量占到26.76%～40.49%,丁酸的含量占到37.60%-58.07%.并含有部分丙酸和乙醇,属于丁酸型发酵.丁酸/乙酸比值可作为衡量氢气产生效率的一个指标,比值越大产氢量越高.实验中氧化还原电位均在-300 mV以下,以厌氧为主.Gompertz模型能够很好地拟合其产氢过程和产氢菌生长过程.     

产氢产乙酸和产甲烷反应对厌氧消化的限速作用

为明晰厌氧消化过程的主要限速步骤,分别以丁酸、乙酸、H₂/CO₂为基质,在37℃和pH 5.00~9.00条件下对厌氧活性污泥进行培养,依据Shelford耐受定律对食丁酸产氢产乙酸菌（SBOB）、乙酸营养型产甲烷菌（ACM）和氢营养型产甲烷菌（HTM）的pH值生态幅及基质转化速率进行分析.结果表明,SBOB、ACM和HTM的pH值生态幅分别为6.19~8.59、5.50~7.74和4.39~9.23,其代谢最适pH值分别为7.39、6.62和6.81.在最适pH值条件下,厌氧活性污泥对丁酸、乙酸、H₂/CO₂的转化速率分别为0.86、1.04和1.09gCOD_equ/（gMLVSS·d）.可见,与产甲烷菌相比,产氢产乙酸菌的pH值生态幅更窄,基质转化速率更慢,对厌氧消化过程具有更为显著的限制作用.     

混合菌种在发酵法生物产氢中的协同作用

为探讨产氢发酵细菌混合培养时菌种间的协同作用,本研究在间歇试验条件下,分别考察以葡萄糖和复杂有机物(淀粉、牛肉膏、聚乙二醇乙二酸酯和胰蛋白胨)为底物时,5株HPB(B49、H1、LM12、LM11和B51)混合培养,高效HPB(B49)与3株非产氢发酵细菌(L10、拟3-2和芽孢1)分别混合培养,以及B49与活性污泥混合培养对产氢能力的影响.试验结果表明,混合菌种间协同作用发挥是有条件的.当利用葡萄糖发酵产氢时,菌种间对共同底物的竞争使其协同作用无法发挥,从而制约了高效产氢细菌(HPB)的产氢能力;而利用复杂有机物发酵产氯时,菌种间的协同作用得以发挥,并促进了高效HPB产氢能力的提高.同时提出,针对不同底物可以采用不同的培养方式.     

ABR发酵产氢系统的控制运行及产氢效能

以稀释糖蜜为原料,通过分阶段提高进水COD的方法,考察了四格式、总有效容积为28.75L厌氧折流板反应器(ABR)的发酵产氢效能和运行特性.结果表明,以好氧和厌氧活性污泥的混合物接种,在水力停留时间(HRT)24h、进水pH为5.3～6.8和35℃等条件下,进水COD从500mg.L-1逐渐提高到6000mg.L-1左右,ABR可在63d内培育出具有产甲烷功能的微生物群落体系,并达到稳定运行状态.此时,4个格室中的液相末端产物以乙酸和丁酸为主,均呈现丁酸型发酵特征,系统的COD平均去除率为37.6%,平均产氢量为3.2L.d-1,去除单位COD的比产氢率平均为45.29L.kg-1(以COD计).随着进水COD的提高,ABR及各格室的运行特征也随之发生变化,在进水COD提高到8000mg.L-1并达到运行稳定状态时,后3个格室中仍有产甲烷活性的残留;前3个格室表现为乙醇型发酵,而最后1个格室的丁酸型发酵特征则得到加强;系统对COD的平均去除率降低为15.4%,平均产氢量和去除单位COD的产氢能力分别提高到12.85L.d-1和360.22L.kg-1(以COD计);由于诸如产甲烷菌和同型产乙酸菌的耗氢活性未被有效抑制,ABR的产氢效能受到了严重影响,虽然总产气速率和活性污泥的比产气率分别达到了61.54L.d-1和232L.kg-.1d-1(以MLVSS计),但总产氢速率和活性污泥的比产氢率分别仅为12.85L.d-1和48L.kg-1.d-1(以MLVSS计).     

混合培养对沼泽红假单孢菌产氢及代谢的影响

混合培养逐渐引起人们的关注,将沼泽红假单孢菌Rhodopseudomonas palustris和厌氧细菌Enterobacter aerogenes PCM 532的混合培养,并进行生长代谢、产氢及正交实验、Biolog碳源代谢实验。结果表明,混合菌在厌氧光照条件下生长迅速,在好氧黑暗条件下也有一定生长;混合培养的产氢量高于纯培养;正交实验得到,对混合培养产氢影响最大的是底物和混合比例;Biolog微孔板代谢中混合菌可以利用纯菌种培养不能利用的碳源。混合培养表现为协同作用,促进细菌生长和提高产氢能力。     

产氢菌Clostridium butyricum P22的分离鉴定及其产氢特性研究

从连续生物制氢反应器中分离得到高效产氢细菌P22,利用微生物自动鉴定仪并结合菌株16S rDNA序列分析,将其鉴定为Clostridium butyricum P22.同时还进一步研究了碳源、氮源、初始pH值和培养温度对菌株P22产氢活性的影响.结果表明:该菌株能利用多种碳源氮源产氢,当以葡萄糖作为产氢底物时,其最大产...     

一株稻田土壤梭状芽孢杆菌的分离及其固氮产氢能力研究

为研究水稻土壤中协同固氮产氢菌的固氮产氢特性,拓展协同固氮产氢菌菌种资源,利用厌氧微生物富集培养、亨盖特厌氧滚管等技术,从华南稻田土壤中筛选到一株同时具有产氢和固氮能力的菌株BZ-1. 经形态学观察及16S rRNA基因序列系统发育分析,鉴定菌株BZ-1属于梭状芽孢杆菌属(Clostridium sp.). 通过测定产氢量、生物量、发酵产物及固氮酶酶活等,对菌株BZ-1的产氢能力及协同固氮产氢特性进行分析. 结果表明:菌株BZ-1发酵34.55 mmol/L葡萄糖可产生42.19 mmol/L H₂,主要副产物为丁酸(15.96 mmol/L)、乙酸(7.14 mmol/L)和乳酸(5.09 mmol/L);菌株BZ-1具有固氮酶活性,能够以N₂为唯一氮源进行生长;菌株BZ-1固氮产氢时,相比于添加7 mmol/L氯化铵的试验组,产氢量提高了14.71%,最大生物量降低了33.33%,乙酸产量提升了61.49%. 研究显示,菌株BZ-1在协同固氮产氢条件下固氮能力的提升、生物量的降低以及核心碳代谢途径的改变可能是其产氢量提升的原因. 固氮产氢菌株BZ-1的获得将为提高土壤肥力以及缓解铅、镉等重金属对农作物的胁迫作用提供新的思路.      

发酵生物制氢反应器的产氢菌生物强化作用研究

将发酵产氢菌Ethanoligenens sp. B49投加到连续流搅拌槽式反应器（CSTR）的活性污泥中,以糖蜜废水为底物,进行强化活性污泥产氢效能的研究.对生物强化前和生物强化后反应系统的产氢能力、发酵产物组成和pH值进行了对比分析.结果表明,在COD容积负荷为12 kg/(m³·d)条件下,投加产氢菌可显著提高反应系统的产氢能力并改善发酵产物组成.反应系统的比产氢速率从强化前的3.6 mmol/(kg·d)提高到强化后的5.7 mmol/(kg·d),是生物强化前的1.5倍.生物强化前,反应系统液相发酵产物乙醇、乙酸和丙酸的平均浓度分别为6.8、 5.3和4.8　mmol/L,生物强化后乙醇、乙酸和丙酸的平均浓度分别为10.5、 7.5和1.7 mmol/L,其中乙醇型发酵目的产物乙醇和乙酸在总发酵产物中的比例从生物强化前的72.0%提高为强化后的86.8%.生物强化作用使出水pH值从4.5～4.7下降为4.3.产氢菌的生物强化作用有助于反应器在低负荷运行期迅速形成产氢能力较高的乙醇型发酵.     

糖厂污泥中高效产氢菌的分离鉴定及产氢优化

从甘蔗糖厂污泥样品中,分离纯化得到一株革兰氏阳性厌氧产氢菌。经16S rDNA分子生物学鉴定,该菌株为Clostridium sp.60E(注册号:JF708079)。对该菌株生长及产氢特性的研究发现,其产氢主要发生在细胞生长对数期的中后期和稳定期。温度及pH值单因素实验显示,Clostridium sp.60E为一株中温产氢菌,有较好的耐酸能力。采用正交实验研究方法优化产氢条件,发现起始pH值为5,培养温度为35℃,碳源选择葡萄糖时,其总产氢量最高可达到(208±8.01)mL H2/100 mL培养基,比优化前提高了142%,产氢纯度最高达到55.32%,最高产氢速率为(188±8.72)mL H2/(L.h)、15.99 mmo(l H)2g(/dry cell.h)。以上研究表明,从糖厂污泥中筛选的Clostridium sp.60E是一株良好的厌氧发酵产氢菌,将其应用于废水处理,可以实现有机废水的高效制氢,是实现废水和有机废物资源化的一条有效途径。     

利用Ethanoligenens harbinense R3连续培养的CSTR的启动与运行

采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR)为实验装置,探讨了利用新型发酵产氢菌R3的生物制氢反应器的启动与运行情况.实验表明,维持反应器内pH在4.5左右、COD启动值为6000 mg·L-1、水力停留时间为8 h等条件,可在30 d内完成反应器内菌种对环境的适应并进入稳定运行阶段,此时系统氧化还原电位(HRT)稳定在-400mV左右.系统内的液相末端发酵产物中乙醇含量最大,占发酵产物总含量的65%,乙醇和乙酸所占比例为95%,系统呈现明显的乙醇型发酵特性.启动和运行阶段的积累产氢量为399.33 L,最大产氢量达15768.8 mL·d-1,最大氢气产率为49.94%.有机氮源可被微生物利用而无机氮源对产氢并无太大影响.使用有机氮源和磷源时积累产气量、积累产氢量和发酵液相末端产物与空白对照相比有所增大.     

不同pH下糖蜜废水的厌氧产酸发酵类型及微生物群落结构解析

为寻求厌氧产酸发酵反应器的适宜控制参数和微生物学机制,以ACR(厌氧接触式发酵制氢反应器)为试验平台,通过分阶段调控反应器的pH,考察不同pH下ACR系统的产酸发酵类型和产氢性能,并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术对微生物群落结构进行了解析.以糖蜜废水为基质,以城市污水厂剩余污泥为种泥,在污泥接种量(以MLVSS计)为3.58 g/L、进水ρ(COD_Cr)为5 000 mg/L、HRT为12 h条件下,分别考察了系统在pH为6.0～6.5、5.5～6.0、5.0～5.5、4.5～5.0条件下的运行特性.结果表明,在pH为4.5～5.0时,系统中以Ethanoligenens harbinense YUAN-3为代表的产氢菌群占优,呈现典型的乙醇型发酵特征,活性污泥表现出的产氢性能最佳,其氢气转化率和污泥的比产氢速率分别为1.9 mol/mol和7.8 mmol/(g·d).在pH为5.5～6.5、5.0～5.5的条件下,Clostridium tyrobutyricum strain A1-3、Propionibacterium sp.B2M2分别成为优势菌群,系统分别呈现出丁酸型发酵、混合酸发酵类型.研究显示,随着pH的改变,系统内的产酸发酵菌群随之发生更迭,在不同pH控制水平下形成不同的顶级微生物群落结构,进而使得系统呈现出不同发酵类型和产氢性能.      

Effect of hydraulic retention time on the hydrogen yield and population of Clostridium in hydrogen fermentation of glucose

The conversion of glucose to hydrogen was evaluated using continuous stirred tank reactor at pH 5.5 with various hydraulic retention times (HRT) at 30°C. Furthermore, the population dynamics of hydrogen-producing bacteria was surveyed by fluorescence in-situ hybridization using probe Clost IV targeting the genus Clostridium based on 16S rRNA. It was clear that positive correlation was observed between the cells quantified with probe Clost IV and hydrogen yield of the respective sludge. The numbers of hydrog...     

1株转座子插入突变菌株TB34的筛选及产氢分析

以分离自红树林污泥的厌氧发酵产氢细菌Pantoea agglomerans BH18为出发菌株,利用转座子Tn7构建突变体文库.通过卡那霉素抗性筛选与PCR扩增,鉴定转座子插入突变菌株.通过初筛和复筛,获得1株突变菌TB34,其产氢量较野生菌株明显提高.在初始pH为7.0和葡萄糖浓度10 g.L-1的海水培养条件下,产氢量(H2/葡萄糖)为(2.04±0.04)mol.mol-1,相比野生菌株产氢量提高43%.经过5次连续传代培养,突变菌株TB34表现出稳定的产氢特性.测定突变菌株TB34在不同碳源培养条件下的产氢量.结果表明,突变菌株TB34和野生菌株BH18都能利用蔗糖、葡萄糖和果糖发酵产氢.与野生菌株BH18不同,突变菌株TB34在以木糖为底物培养条件下仍能够发酵产氢,产氢量(H2/木糖)为(1.34±0.09)mol.mol-1,扩大了底物利用范围.