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黃孢原毛平革菌( Phanerochaete chrysos  porium  Burdsall)是白腐菌的一種,具有極強的酵解木質(zhì)素  的作用。它屬于擔(dān)子菌綱非褶菌目伏革科顯革菌  屬。中國秸稈資源豐富,2015年全國秸稈理論資源  量為9.6億t,可收集資源量約為7.6億t。然而大  部分秸稈被廢棄或直接焚燒,造成環(huán)境污染和資源  浪費1-2。秸稈是一種優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)能,2t秸稈能源  化的熱值相當(dāng)于1t標(biāo)準(zhǔn)煤。推廣秸稈能源化利  用,可減少煤、石油等化石能源消耗,改善能源結(jié)構(gòu),  減少二氧化碳排放,緩解全球氣候變化等。秸稈  可黑膜沼氣池發(fā)酵物質(zhì)含量較高,產(chǎn)沼氣潛力較強,但它的木質(zhì)

纖維素結(jié)構(gòu)是生產(chǎn)沼氣的瓶頸。降解木質(zhì)纖維素的關(guān)鍵是去除木質(zhì)素-61。近年來利用生物法預(yù)處理  秸稈成為研究熱點。生物法常用的是白腐菌。  Ghost8l等發(fā)現(xiàn)黃孢原毛平革菌菌絲體有很強的木質(zhì)素降解能力。黃孢原毛平革菌( Phanerochaete  chrysosporium)是白腐菌的一種,降解木質(zhì)素能力很  強,現(xiàn)已成為用于研究生物質(zhì)利用和自然界有機污  染物生物治理的模式生物。本文用黃孢原毛平革菌  對秸稈木質(zhì)纖維素進行降解預(yù)處理,研究其對厭氧  黑膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響,探索小麥秸稈高效產(chǎn)沼氣的方法

1材料與方法

1.1材料

小麥秸稈:收集于南陽郊區(qū),洗凈,風(fēng)干,粉碎,保存。經(jīng)測定,其總固體含量(TS)為91.45%,主要成分的含量為:纖維素36.5%,半纖維素28.2%,木質(zhì)素19.6%。菌種:黃孢原毛平革菌( Phanerochaetechrysosporium),中國工業(yè)微生物菌種保藏中心?；A(chǔ)培養(yǎng)液”:KH2PO40.20g·L-1,MgSO4·7H2O0.05g·L,CaC20.01gL和1mLL無機鹽溶液,維生素B1100mg·L-,吐溫-800.05%。無機鹽溶液0:0.50g·L1,MnSO4H2O;0.01g·LAlK(SO4)2·12H2O;0.018C~1H2BO3;0.01gL-1,Na2MoO4·2H2O;0.10g·L,FeSO4·7H2O;0.10g·L-,CoCl2·6H2O;0.10g·L,ZnsO4·7H2O;0.01g·L-,CuSO4·5H2O;3.00g·L,MgSO4·7H2O。

厭氧消化試驗所用沼液總固體(TS)的含量為4.88%,揮發(fā)性固體(Vs)為65.43%,pH值為7.73

1.2實驗方法

1.2.1秸稈的好氧降解試驗  

將黃孢原毛平革菌在30℃溫度下活化,150  rmin轉(zhuǎn)速搖床培養(yǎng)7d后,用滅菌濾紙過濾,滅  菌水沖洗3次,至濾紙不再滴水。稱取秸稈40g于  1000mL錐形瓶中,按固液比1:2加入基礎(chǔ)培養(yǎng)液,  自然pH值,加水調(diào)節(jié)含水率至75%,封口后于  120℃下滅菌30min。冷卻至室溫后以20%的接種量(以濕重計)接種上述過濾得到的菌體,接種后放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱,調(diào)節(jié)濕度75%,好氧條件下,在30℃溫度下培養(yǎng),分別于10d,15d,20d取樣,測定纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等指標(biāo)。每個處理設(shè)3個重復(fù)。

1.2.2降解產(chǎn)物的厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵試驗

黑膜沼氣池發(fā)酵實驗裝置見圖1。以一個容積為2500mL的錐形瓶作為黑膜沼氣池發(fā)酵罐,側(cè)壁上共開有兩個出口,上方為氣樣口,下方為液樣口,錐形瓶的開口用玻璃管連接集氣瓶,集氣瓶后連通集液瓶。將黑膜沼氣池發(fā)酵罐置于35℃的水浴鍋中進行黑膜沼氣池發(fā)酵。氣體收集瓶容積為2500mL,采用排水法收集氣體,通過測量排出水的體積獲得沼氣產(chǎn)量。

采用濕黑膜沼氣池發(fā)酵方法:取預(yù)處理10d,15d,25d后黑膜沼氣池發(fā)酵原料(濕料),加入接種沼液40g(T為2.3%),

加水將黑膜沼氣池發(fā)酵物總質(zhì)量調(diào)整至60g,此時發(fā)的的  TS負荷均為8%。密封后,35℃±1℃下進行厭  醇。對照處理為不加菌體的原料。具體試驗邊計  表1,每個處理做2個重復(fù)

原料物質(zhì)料重

對照  44.29400  黃孢原毛平革菌10d86,245.01400  黃孢原毛平革菌15d90243.02401黃孢原毛平革菌25d92.342.044001579

1.2.3測定項目及方法

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量測定采用范  氏法2;產(chǎn)氣量的測定采用排水集氣法;沿氣中  甲烷含量的測定采用GC-9890A氣相色譜儀分析  (TCD檢測器);干物質(zhì)的測定采用105℃烘24h  重法;pH值采用雷磁pHS2F型酸度計測定:揮發(fā)  性脂肪酸的測定采用比色法。

1.2.4數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計

數(shù)據(jù)均用SPSs13.0軟件進行處理和統(tǒng)計分析2結(jié)果與討論

2.1降解過程中秸稈木質(zhì)纖維素含量的變化

由圖2可見,黃孢原毛平革菌對木質(zhì)素、纖維素、半纖維素均有不同程度的降解,對木質(zhì)素的降舞較為明顯,接種20d后,木質(zhì)素含量分別降到7.3%,降解率為62.75%。木質(zhì)素、纖維素、半纖維素的降解率均隨處理時間延長而增加,20d后對纖維素的降解率為10.9%,對半纖維素的降解率  177%。黃孢原毛平革菌是白腐菌的典型代表  期實驗表明,黃孢原毛平革菌接種濃度過高而  響木質(zhì)纖維素的降解效率,過低則會導(dǎo)致其降解效  果較差。此外,由于木質(zhì)素的屏障作用被打破,黃

原毛平革菌對半纖維的降解能力也有了顯著的提  高。白腐菌改善了秸稈的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地,有利于釋放  包裹在木質(zhì)素和半纖維素中的纖維素,使之變得更  減消化利用,從而達到提高秸稈消化率的目的

2.2秸稈厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵的產(chǎn)酸特征量的變化  

圖3是厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵中黑膜沼氣池發(fā)酵液pH值的變化,各處  理在反應(yīng)過程中秸稈厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵酸化速度很快,pH值  均在第2天就達到最低值,黃孢原毛平革菌預(yù)處理  10d,15d,20d各組的最低值分別為7.3,13,  7.28對照組的最低值為7.15。各處理組的pH值在達到最低值后開始回升第5天至第30天穩(wěn)定在定范圍內(nèi),隨后顯著下降。

圖4是厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵中黑膜沼氣池發(fā)酵液中揮發(fā)性脂肪酸濃度  的變化,可以看出,各處理的揮發(fā)性脂肪酸濃度在發(fā)  酵第2天達到最高,其中黃孢原毛平革菌預(yù)處理10  d,15d,25d各組的揮發(fā)性脂肪酸最高濃度分別為  1380mg·L-1,1025mg·L-1,1038mg·L。各處理  組的揮發(fā)性脂肪酸濃度達到最高值后開始下降,在  第8天達到一個較低的穩(wěn)定值,而對照組在第15天才達到較低穩(wěn)定值,并持續(xù)到黑膜沼氣池發(fā)酵結(jié)束。結(jié)合圖3  可以看出,pH值和揮發(fā)性脂肪酸的濃度有著相反的變化趨勢,揮發(fā)性脂肪酸濃度升高時pH值下降。  統(tǒng)計分析可知,揮發(fā)性脂肪酸濃度與pH值呈極顯  著負相關(guān),表明有機酸的產(chǎn)生是造成黑膜沼氣池發(fā)酵液中pH值下降的最重要原因。

2.3秸稈厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵的產(chǎn)氣特征

2.3.1日產(chǎn)氣量

從圖5可見,各處理厭氧反應(yīng)期間的日產(chǎn)氣量變化趨勢大致相同,均在3-5d達到第1個產(chǎn)氣最高峰,微生物將原料中易利用的成分被快速降解,根據(jù)氣相色譜,甲烷體積分數(shù)低于10%,而二氧化碳約為50%,這與此時系統(tǒng)中黑膜沼氣池發(fā)酵型細菌占優(yōu)勢有關(guān)。第1個產(chǎn)氣高峰之后,產(chǎn)氣量下降且持續(xù)一段時間,在25~27d達到第2個產(chǎn)氣高峰,此后一直維持在一個較低的產(chǎn)氣量水平,直至黑膜沼氣池發(fā)酵結(jié)束。根據(jù)氣相色譜測定,發(fā)現(xiàn)自第6天開始,生物燃氣中甲烷的體積分數(shù)均高于50%,說明此時已經(jīng)進入產(chǎn)甲烷的旺盛期。在整個黑膜沼氣池發(fā)酵過程中,出現(xiàn)第1個峰值的原因可能是由于黑膜沼氣池發(fā)酵初期,黃袍原毛平革菌的營養(yǎng)相對比較豐富,生長繁殖速度快,從而分泌出大量的木聚糖酶,在此期間由于前期木質(zhì)纖維素中不僅纖維素和半纖維素得到了有效降解,木質(zhì)素也有部  分被降解;而后期的第2個峰值出現(xiàn)的原因可能與  黃抱原毛平革菌的次級代謝有關(guān),在黃抱原毛平革  菌的作用下木質(zhì)素的屏障作用被破壞,有更多的半  纖維素可被黃袍原毛平革菌利用。

2.3.2累積產(chǎn)氣量  

對各處理在黑膜沼氣池發(fā)酵期間的產(chǎn)氣進行累積計算,結(jié)  果見圖6。圖6顯示,對照組在30d停止產(chǎn)氣,而白  腐菌預(yù)處理10d,15d,20d的處理組則繼續(xù)產(chǎn)氣直  至黑膜沼氣池發(fā)酵結(jié)束。由黃孢原毛平革菌預(yù)處理10d,15d,  累積產(chǎn)氣量分別較對照提高了42%,41%。然而,  當(dāng)黃孢原毛平革菌預(yù)處理小麥秸稈超過20d時,木  質(zhì)素、纖維素雖然進一步降解,但其累積產(chǎn)氣量下降  了37%,這是因為黃孢原毛平革菌預(yù)處理秸稈的時  間過長,微生物本身生理活動消耗了較多的產(chǎn)沼氣底物,同時,它在分解木質(zhì)素的過程中產(chǎn)生并積累了一些抑制纖維素水解酶活性的代謝產(chǎn)物,從而降低了白腐菌預(yù)處理對沼氣黑膜沼氣池發(fā)酵的促進作用。

3結(jié)論  

秸稈是典型的木質(zhì)纖維素,利用纖維素之前必  須把它從木質(zhì)素和半纖維素包裹中釋放出來,而半  纖維素比木質(zhì)素易降解,因此,纖維素的分解關(guān)鍵就  在于脫除木質(zhì)素。本文的研究表明,黃孢原毛平革  菌對木質(zhì)素、纖維素、半纖維素均有不同程度的降解,對木質(zhì)素的降解較為明顯。  各處理組與對照組的揮發(fā)性脂肪酸含量無顯著  性差異。對揮發(fā)性脂肪酸含量與產(chǎn)氣量進一步分  析,揮發(fā)性脂肪酸的高峰值出現(xiàn)在產(chǎn)氣量增加的前  期,這是由于有機酸的大量積累造成pH值降低,從  而影響了產(chǎn)甲烷菌的活性,但揮發(fā)性脂肪酸的積累也為甲烷菌生長繁殖提供了大量的物質(zhì)來源,隨著產(chǎn)甲烷菌活性逐步增加,有機酸底物隨后被甲烷菌充分利用后形成了產(chǎn)氣高峰。經(jīng)黃孢原毛平革菌處理小麥秸稈后,木質(zhì)素、半纖維素、纖維素等發(fā)生不

同程度的降解,提高了秸稈的沼氣產(chǎn)率。

摘自《中國沼氣》第三期 柴春月 田龍

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