制浆造纸废水中含有大量的纤维素与半纤维素,其中纤维素的水解产物是以葡萄糖为主的六碳糖,半纤维素水解产物是以木糖为主的五碳糖,均是制备氢气的理想碳源。此外,制浆造纸过程有时因产品需求而加入染料,如防伪纸,这就使得废水成分更加复杂。本文主要对Klebsiella oxytoca GS-4-08利用木糖生物制氢的影响因素、厌氧脱色特性以及在实际废水中的应用三个方面进行了较为系统的研究。我们在前期研究中发现Klebsiella oxytoca GS-4-08是一株多功能的模式菌株,其在环境工程的多个领域已有广泛应用:如生物制氢、产2,3-丁二醇、降解偶氮染料和腈类化合物,以及利用葡萄糖、甘油和木糖等多种碳源进行生物制氢,并且Klebsiella oxytoca GS-4-08拥有将木糖转化为木酮糖的酶系统,可以直接利用木糖,此为选择本株细菌的关键。本论文研究了纯种菌株Klebsiella oxytoca GS-4-08利用木糖作为单一碳源同时对废水进行脱色和制氢。木糖制氢的主要产物为氢气、乙醇、乙酸等;当木糖浓度为2g/L时,木糖的利用率最高,高达93.99%,木糖摩尔制氢量为0.245mol·mol^-1;以含有磺酸基的甲基橙和含羧基的甲基红为模拟染料加入到制氢过程来模拟实验废水,在接种率为100%的生物制氢体系中,Klebsiella oxytoca GS-4-08均能在利用木糖制氢的同时使上述的两种偶氮类染料进行脱色还原作用。其中,在接种率不足50%的制氢培养基中,甲基橙染料的浓度变化对制氢作用均无影响,而甲基红染料则会抑制生物制氢的过程,进而无产物生成,这说明含磺酸基的染料与含羧基的染料的脱色对木糖制氢是两种不同的作用机理。论文通过详细的实验数据和大量相关文献的调研,提出了厌氧条件下Klebsiella oxytoca GS-4-08利用木糖进行同步生物制氢和偶氮染料脱色的机理图:木糖首先通过磷酸戊糖途径转化为3-磷酸甘油醛,再进入糖酵解途径和产氢代谢途径最终生成乙醇、乙酸和氢气等代谢产物;其中甲基红染料对生物制氢途径以及挥发性脂肪酸的抑制主要表现在甲基红可穿透细胞膜进入到细胞内抑制了磷酸戊糖途径的发生,而甲基橙则由于其较强的亲水性则不能进入细胞内,在细胞外接受电子完成氮氮双键的断裂,而完成非特异性还原,该过程对木糖的利用无明显影响。论文还针对含染料的模拟制浆造纸废水处理展开了初步研究,发现Klebsiella oxytoca GS-4-08利用木糖厌氧脱色和生物产氢具有较好的结果,证明了该法的小试具有可行性。然而,在应用于实际的工业制浆造纸废水中,制氢量和COD去除率较低,其原因可能是由于:1)体系中的木糖含量不够而导致电子供体的给予不足;2)废水中有毒成分例如氯酚对细胞的代谢过程产生了明显抑制。本文对于扩展该菌株的底物利用范围以及处理制浆造纸废水尤其是含有偶氮染料染料的造纸废水提供了一种新的研究思路,但如何进一步提高其在实际废水的处理效果,尚需进一步考察相关因素,以提高其实际应用的可行性。