餐厨垃圾乙醇发酵方式及微生物多样性研究

来源 :华南农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:buyezhicheng
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随着能源需求的增加和石油资源的枯竭,寻找替代能源势在必行。将餐厨垃圾水解成还原糖后,发酵生产燃料乙醇是生物能源的一个重要方向。利用厨余垃圾生产燃料乙醇不仅可以作为一种资源,而且可以增加能源供应,消除其对环境的危害。其中富含淀粉、纤维素、蛋白质等有机物质,营养物质丰富,生物可降解性强,将其进行资源化处理已经成为当今研究的焦点。餐厨垃圾厌氧微生物发酵制乙醇技术具有较高的应用潜力,由于它具有承载有机物能力强、工艺简单等优点,更为重要的是在处理废弃物餐厨垃圾的同时也回收了其生物质能源。可以预见利用微生物发酵餐厨垃圾生产乙醇是今后大规模处理餐厨垃圾的一个主要方向。本研究利用实验室保存的纤维素分解菌,配合乙醇菌进行乙醇发酵,通过比较不同发酵方式下乙醇浓度,得到最适乙醇发酵工艺为优化餐厨垃圾乙醇发酵提供基础数据,以减少餐厨垃圾对环境的污染,取得良好的经济效益。同时探究乙醇发酵过程中微生物多样性,从微生物生态角度初步明确餐厨垃圾乙醇发酵的微生物作用机制。研究结果如下:(1)在菜茎叶中,共发酵培养最佳方式确定为:不灭菌条件下先添加乙醇菌群,6h后添加纤维素分解菌群(发酵方式6),其乙醇浓度最高达到0.57%(v/v),乳酸最高浓度达到5.64g/L,且p H和乳酸乙醇的产量成显著负相关,乳酸和乙醇的产量成显著正相关。(2)在肉中,共发酵产乳酸的最佳方式确定为:在不灭菌的条件下先加纤维素分解菌群,6h后添加乙醇菌群(发酵方式3),乳酸浓度最高达到58.38g/L,p H和乳酸产量无关。(3)在餐厨垃圾中,产乙醇的最佳共培养发酵方式为:不灭菌的条件下先加纤维素分解菌群,6h后添加乙醇菌群(发酵方式3),乙醇浓度最高达到3.25%(v/v),乳酸浓度达到37.77g/L;产乙醇的最佳共培养发酵方式为:不灭菌的条件下先加纤维素分解菌群,12h后添加乙醇菌群(发酵方式2),乙醇浓度达到2.90%(v/v),乳酸浓度达到最高值57.24g/L,且p H和乳酸乙醇的产量成显著负相关,乳酸和乙醇的产量成显著正相关。(4)对灭菌、不灭菌和T160预处理后发酵样品的微生物多样性进行16Sr DNA测序,结果发现三种发酵方式中发酵菌多样性非常丰富,且其群落结构组成相近。在门的分类水平上,主要包括厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、互养菌门(Synergistetes),其中厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)占有绝对优势,优势门菌总相对丰度在90%以上。基于三种发酵方式α多样性指数,不灭菌餐厨垃圾的发酵菌与灭菌餐厨垃圾的发酵菌不存在显著差异,而与T160预处理条件下的餐厨垃圾的发酵菌存在显著差异。同时,灭菌餐厨垃圾的发酵菌多样性要略多与不灭菌餐厨垃圾的发酵菌多样性,两者多样性均高于T160条件下餐厨垃圾的发酵菌多样性。(5)灭菌条件下乙醇产量和乳酸产量与shannon指数成显著弱负相关趋势,shannon指数与p H成显著弱正相关趋势,即微生物多样性与乙醇和乳酸的产量成弱负相关趋势,与p H成弱正相关趋势。不灭菌条件下与灭菌条件下相关性关系类似,值得注意的是,乙醇产量和乳酸产量与ace成显著弱正相关趋势(即与微生物数量成显著弱正相关趋势),这是与灭菌条件下不同的趋势。(6)就餐厨垃圾预处理作为影响微生物多样性的条件来说,对片球菌属(Pediococcus)影响较大,在餐厨垃圾不做高温处理时片球菌属含量较高。而在对餐厨垃圾做高温灭菌处理后乳酸菌属(Lactobacillus)含量较高。在T160的预处理条件下乳酸菌属(Lactobacillus)含量比灭菌处理的高。(7)三种预处理条件下七天的发酵样品中真菌的群落结构组成相似。在门的分类水平上,主要包括子囊菌门(Ascomycota)、接合菌门(Zygomycota)、担子菌(Basidiomycota)。其中子囊菌门占绝对优势,相对丰度在94%以上。且基于α多样性指数发现,三种预处理发酵方式下的样品真菌多样性不存在显著差异。真菌多样性T160>不灭菌>灭菌。在属的分类水平上,主要包括酵母菌属(Saccharomyces)、黄曲霉菌属(Aspergillus)、根霉菌属(Rhizopus)、念珠菌属(Candida)、酿酒酵母菌属(Kazachstania),其中酵母菌属在灭菌条件下和T160预处理的条件下含量较高,在不灭菌的条件下念珠菌属含量较高。(8)灭菌条件下,物种丰度与乙醇和乳酸的产量成显著正相关趋势。真菌多样性与p H成显著负相关趋势,与乙醇和乳酸的产量成显著正相关趋势。不灭菌条件下,物种丰度与p H成显著正相关趋势,与乙醇和乳酸的产量成弱相关趋势。真菌多样性与p H成显著正相关趋势,与乳酸产量成显著负相关趋势。
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