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纸类废弃物占生活垃圾的很大一部分,由于某些废纸难以分类回收或回收利用成本较高,当前有大量废纸不能被回收再造纸,这些废纸是潜在的生产清洁能源的原料。本文研究了不同废纸的产甲烷特性、废纸和羊粪的共消化潜力以及厌氧和兼氧微生物预处理提高废纸固态厌氧消化的甲烷产量。为了进一步解析各种木质纤维素组分的厌氧消化机制,探究了纤维素、半纤维素和木质素在厌氧消化过程中的产甲烷特征和相互作用。此外,16S rRNA基因高通量测序与分析技术被用于阐明厌氧消化过程中细菌和产甲烷菌的功能。主要研究结果如下:(1)选用纸板、办公废纸、杂志纸和餐巾纸为原料进行厌氧消化,测得纤维素含量高且木质素含量低的废纸具有较高的生物甲烷潜力和生物降解率。废纸和羊粪的共消化在甲烷产量上具有一定的协同性,可能与共消化底物具有较平衡的碳氮比和营养物质有关。羊粪的加入可提高废纸厌氧消化的微生物多样性和丰度。共消化中某些特征菌的相对丰度高于单一消化的,推测与共消化中甲烷产量的提高有关,这些微生物包括潜在的纤维素降解菌Clostridium Ⅲ和Pseudobacteroides,糖发酵菌Levilinea和Treponema以及产甲烷菌Methanospirillum和Methanothrix等。(2)用秸秆腐熟剂、羊粪和沼液预处理废纸后甲烷产量提升率都达20%以上。来源于秸秆腐熟剂的Bacillus,来源于羊粪的Ruminococcus,羊粪和沼液中都存在的Ruminococcaceae Incertae Sedis和Clostridium sensu stricto 1,沼液来源的VadinBC27、Fastidiosipila和Petrimonas以及三种接种物中都存在的Pseudomonas和Acinetobacter等细菌可能在废纸的预处理过程中有重要作用。(3)实验测得纤维素的生物甲烷潜力高于半纤维素的,而木质素在厌氧消化过程中不能被降解。半纤维素比纤维素水解得快,这导致半纤维素的消化液具有更高浓度的挥发性脂肪酸和更低的pH值,所以半纤维素在厌氧消化时形成了比纤维素更严重的产甲烷抑制状态。与纤维素和半纤维素的单一消化相比,共消化增加了甲烷产量和生物降解率。因此,富含纤维素和半纤维素原料的共消化可改善厌氧消化性能。木质素的加入对纤维素产甲烷的抑制强于对半纤维素的。功能菌Clostridium sensu stricto、Cloacibacillus和Christensenella在纤维素消化液中相对丰度较高,糖发酵菌Saccharofermentans和Levilinea在半纤维素的消化液中相对丰度较高。Methanospirillum和乙酸营养型的Methanothrix在纤维素的甲烷生产中有重要作用,而耐酸的Methanobrevibacter、Methanomassiliicoccus、Methanobacterium和Methanoculleus促进了半纤维素的甲烷生产。将这些功能微生物添加到厌氧消化系统中可能增加木质纤维素的产甲烷效率。