论文部分内容阅读
为揭示秸秆与畜禽粪便混合物料厌氧发酵系统在不同发酵工艺下的响应机理,探究厌氧发酵特征及关键功能微生物,辨析发酵过程微生物对环境条件的响应及其群落结构变化与演替的关键驱动因子,本研究以小麦秸秆和猪粪的混合物料为发酵底物,以不同磁铁粉添加量、不同浓度氨水预处理小麦秸秆和不同发酵温度下的厌氧发酵系统为研究对象,分析了发酵过程特性、动力学特征、C、N、P含量及化学计量比、关键酶活性和微生物群落结构等的变化,以及发酵特征对发酵工艺的响应,研究了发酵条件对发酵及其微生物特征的影响机理。研究获得以下主要结论:（1）发酵工艺对发酵过程产气效率、系统自我缓冲能力和稳定性影响显著,以55℃高温的影响最明显。单一发酵工艺下,添加3.0g磁铁粉时,有效提高了系统缓冲能力和稳定性,促进了底物的甲烷转化。55℃高温发酵易造成中间产物的抑制系统的抑制,抑制因子为VFA;互作工艺加强了中间产物对发酵过程的抑制,表现为高的中间产物浓度、低的系统稳定性很和产气效率,抑制因子为氨态氮和VFA。发酵条件对发酵系统的影响表现为通过直接影响发酵系统微生物生态环境影响最终的产气量。（2）发酵过程的产气动力学参数可以预测发酵产气潜力和发酵周期,从而可以有目的的调控发酵过程。添加3.0g磁铁粉显著提高了产气潜力,促进了发酵系统的启动,缩短了发酵周期;10%氨水预处理小麦秸秆有助于提高产气潜力,但是延长了发酵周期;55℃高温发酵易造成发酵过程的不可逆抑制。这些结论与研究结果的推测一致。高的停滞时间和低的有效产气时间表明了发酵过程抑制的不可逆;低的停滞时间和低的有效产气时间说明了高的产气效率,即有机物的甲烷转化率;高的停滞时间和高的有效产气时间则表明了较低的产气速率和长的发酵周期。（3）发酵工艺显著影响了发酵系统中C、N、P素的降解和适宜发酵的C:N、C:P和N:P阈值。各发酵工艺均促进了发酵系统中C、N、P素的生物降解以及P的沉降,尤其以高温55℃和互作发酵工艺最显著。因此,随着发酵的进行,N含量逐渐上升,C、P含量快速下降。C:N逐渐降低,C:P和N:P逐渐升高,但是由于中间产物的抑制作用加强,在高温55℃和互作发酵工艺使得适宜发酵的C:N、C:P和N:P阈值减小。不同发酵工艺、不同发酵时间,其阈值不同。因此,可以通过利用简单的C:N、C:P、N:P来评价发酵系统的运行性状态,同时,可以有针对性地进行发酵过程的调控。（4）各发酵工艺下,酶活性表现出相似的变化趋势,但对不同工艺的响应不同。脲酶、乙酸激酶和辅酶F420活性逐渐降低,碱性磷酸酶活性逐渐升高。10%氨水预处理小麦秸秆提高了脲酶、乙酸激酶和辅酶F420活性,添加3.0g磁铁粉提高了碱性磷酸活性。互作工艺下,同一酶活性的变化趋于一致,发酵过程脲酶、碱性磷酸酶和乙酸激酶等水解酶的活性提高;在发酵前期提高辅酶F420的活性,发酵后期抑制辅酶F420的活性。（5）微生物群落特征、功能微生物菌群在不同的发酵工艺、发酵时间表现不同。微生物活性和多样性在添加3.0g磁铁粉、添加3.0g磁铁粉与10%氨水预处理小麦秸秆互作时较高;55℃高温以及与其它条件的互作降低了微生物群落的丰度和多样性,群落结构在55℃高温单一发酵工艺下发生明显的时间序列上的变化与演替,在55℃高温与其它条件的互作工艺下,发生明显的发酵工艺差异上的变化与演替,同时提高了单种微生物的相对丰度。各发酵工艺下,产甲烷菌群落的功能菌群为甲烷囊菌属（Methanoculleus）、甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）和甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）,发酵过程中主要产甲烷群落的结构表现为嗜氢微生物群落向嗜乙酸微生物群落的改变;细菌的功能菌群为厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、螺旋体门（Spirochaetes）、变形菌门（Proteobacteria）。（6）各发酵工艺下,C是起关键作用的特征因素;发酵过程微生物群落结构变化、演替的驱动因子不同,关键因子为C:N。C是发酵系统主要的影响因素,通过直接影响VFA而间接影响系统的自我缓冲能力、稳定性和P的迁移与转化以及C:P和N:P;pH值为酶活性和P的迁移与转化的主要影响因素。不同发酵工艺下,微生物群落结构变化与演替的驱动因子不同。产甲烷菌群落结构变化的主要环境驱动因子在单一发酵工艺下为C:N、N:P、脲酶,互作工艺下为C:N、脲酶、辅酶F420。细菌群落结构变化的主要环境驱动因子在单一发酵工艺下为C:N、脲酶、乙酸激酶,互作工艺下为C:N、脲酶、辅酶F420。说明不同发酵条件下的发酵过程关键指示因子不同,在实际应用中,可以利用简单的过程理化指标来反应复杂的厌氧系统的运行状态及微生物特征,从而达到更有针对地调控发酵过程的目的。