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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(qiáng)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(guó)秸稈資源豐富,2015年全國(guó)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(fèi)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(qiáng),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(diǎn)。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(qiáng)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(qiáng),現(xiàn)已成為用于研究生物質(zhì)利用和自然界有機(jī)污  染物生物治理的模式生物。本文用黃孢原毛平革菌  對(duì)秸稈木質(zhì)纖維素進(jìn)行降解預(yù)處理,研究其對(duì)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(cè)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(guó)工業(yè)微生物菌種保藏中心。基礎(chǔ)培養(yǎng)液”:KH2PO40.20g·L-1,MgSO4·7H2O0.05g·L,CaC20.01gL和1mLL無機(jī)鹽溶液,維生素B1100mg·L-,吐溫-800.05%。無機(jī)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(yàn)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(shí)驗(yàn)方法

1.2.1秸稈的好氧降解試驗(yàn)  

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(jì))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(cè)定纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等指標(biāo)。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1.2.2降解產(chǎn)物的厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵試驗(yàn)

黑膜沼氣池發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。以一個(gè)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(gè)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(jìn)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(cè)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(shí)發(fā)的的  TS負(fù)荷均為8%。密封后,35℃±1℃下進(jìn)行厭  醇。對(duì)照處理為不加菌體的原料。具體試驗(yàn)邊計(jì)  表1,每個(gè)處理做2個(gè)重復(fù)

原料物質(zhì)料重

對(duì)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(cè)定項(xiàng)目及方法

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

1.2.4數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)均用SPSs13.0軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)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(duì)木質(zhì)素、纖維素、半纖維素均有不同程度的降解,對(duì)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(shí)間延長(zhǎng)而增加,20d后對(duì)纖維素的降解率為10.9%,對(duì)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(shí)驗(yàn)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(huì)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(duì)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(dá)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(dá)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(duì)照組的最低值為7.15。各處理組的pH值在達(dá)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(dá)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(dá)到最高值后開始下降,在  第8天達(dá)到一個(gè)較低的穩(wěn)定值,而對(duì)照組在第15天才達(dá)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(shì),揮發(fā)性脂肪酸濃度升高時(shí)pH值下降。  統(tǒng)計(jì)分析可知,揮發(fā)性脂肪酸濃度與pH值呈極顯  著負(fù)相關(guān),表明有機(jī)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(shì)大致相同,均在3-5d達(dá)到第1個(gè)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?jǐn)?shù)低于10%,而二氧化碳約為50%,這與此時(shí)系統(tǒng)中黑膜沼氣池發(fā)酵型細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)有關(guān)。第1個(gè)產(chǎn)氣高峰之后,產(chǎn)氣量下降且持續(xù)一段時(shí)間,在25~27d達(dá)到第2個(gè)產(chǎn)氣高峰,此后一直維持在一個(gè)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(cè)定,發(fā)現(xiàn)自第6天開始,生物燃?xì)庵屑淄榈捏w積分?jǐn)?shù)均高于50%,說明此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)甲烷的旺盛期。在整個(gè)黑膜沼氣池發(fā)酵過程中,出現(xiàn)第1個(gè)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(yíng)養(yǎng)相對(duì)比較豐富,生長(zhǎng)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(gè)峰值出現(xiàn)的原因可能與  黃抱原毛平革菌的次級(jí)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(duì)各處理在黑膜沼氣池發(fā)酵期間的產(chǎn)氣進(jìn)行累積計(jì)算,結(jié)  果見圖6。圖6顯示,對(duì)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(duì)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(shí),木  質(zhì)素、纖維素雖然進(jìn)一步降解,但其累積產(chǎn)氣量下降  了37%,這是因?yàn)辄S孢原毛平革菌預(yù)處理秸稈的時(shí)  間過長(zhǎng),微生物本身生理活動(dòng)消耗了較多的產(chǎn)沼氣底物,同時(shí),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(duì)沼氣黑膜沼氣池發(fā)酵的促進(jìn)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(duì)木質(zhì)素、纖維素、半纖維素均有不同程度的降解,對(duì)木質(zhì)素的降解較為明顯。  各處理組與對(duì)照組的揮發(fā)性脂肪酸含量無顯著  性差異。對(duì)揮發(fā)性脂肪酸含量與產(chǎn)氣量進(jìn)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(jī)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(zhǎng)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(jī)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(guó)沼氣》第三期 柴春月 田龍

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