白菜废弃物混菌厌氧发酵产己酸研究

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随着蔬菜的商业流通和消费者对蔬菜品质要求的提高,每年约有30%的蔬菜被丢弃或掩埋,造成严重的环境污染和资源浪费。通过厌氧发酵将蔬菜废弃物转化为以己酸为代表的中链脂肪酸是一条具有广阔应用前景的高价值转化途径。本文基于批式厌氧发酵考察了pH值以及电子供体乙醇来源对白菜废弃物产己酸性能的影响,通过对发酵过程中挥发性脂肪酸组成及微生物群落结构变化的分析,初步探讨了厌氧发酵产己酸的机理。主要研究结果如下:(1)pH值对白菜废弃物厌氧发酵产酸效能和微生物群落结构演变的影响。结果表明,pH 6.0时总挥发性脂肪酸(TVFAs)产量最高,为20241.4 mg COD/L,其次是pH 7.0;在酸性条件下,乙醇、乙酸和丁酸占主导地位;pH值7.0条件下的主要产物为乙酸、丙酸和丁酸;在pH值为6.0时,乙醇、乙酸和丁酸在初始阶段迅速生成。由于乙醇和丁酸之间作用发生链延长反应,己酸的浓度从第6天开始迅速增加,第8天达到4885.1 mg COD/L,占TVFA的30.4%。通过高通量测序技术识别混合菌群中关键微生物发现,Bacteroidia和Clostridia分别在pH值为6.0和不调pH值条件下占优势。己酸的产生与Clostridium IV、Candida、Dialister和Ruminococcus之间的共生有关。(2)外源乙醇电子供体对白菜废弃物厌氧发酵产己酸效能的影响。在恒定pH 6.0条件下以白菜废弃物为底物进行批式厌氧发酵,当发酵体系电子供体乙醇消耗完后通过外加乙醇继续产己酸。结果表明:一次性添加乙醇浓度过高会抑制己酸的生成;分批逐步添加乙醇,累积乙醇添加与乙酸之比为2.3:1时己酸浓度达到13665.6 mg COD/L,占TVFAs的44.9%,产率达到38.3%,发酵类型由丁酸型转为己酸型。(3)酵母预发酵对白菜废弃物厌氧发酵产己酸效能的影响。通过接种酵母菌实现白菜废弃物厌氧发酵过程中自生电子供体乙醇,为己酸的产生提供基础,并考察不同接种方式对产己酸效能的影响。结果表明接种酵母菌能很好的实现底物乙醇型转化,经过酵母预处理后的反应器乙醇最高浓度达到14816.1 mg COD/L,己酸浓度和产率显著提高,分别达到7750.3 mg COD/L和22.7%。己酸产生过程除以消耗乙醇和丁酸为特征的逆向β氧化途径外,以消耗乙醇和乙酸为特征的脂肪酸生物合成途径也占据重要作用。酵母预发酵和同步发酵的两个反应器内细菌菌群结构较为接近,以Firmicutes,Proteobacteria和Bacteroidetes为主,而未接种酵母菌的对照组以Firmicutes和Proteobacteria为主,且产乙醇及己酸功能菌不同。发挥水解产酸及乙醇作用的功能微生物为后续己酸产生提供基础。经过酵母预处理的反应器中Clostridium kluyveri主导了己酸的产生。
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