小分子有机酸在固态厌氧发酵产甲烷过程中作用机制研究

甲烷是最重要的可再生生物能源之一。传统甲烷规模化生产最大的问题是沼渣沼水的二次污染，而固态法发酵产甲烷无二次污染，适合规模化甲烷生产。本课题通过稀土元素胁迫作用选育耐酸性的高产甲烷菌种；采用梯度电泳凝胶法(DGGE)研究蓝藻与厨余物混合厌氧发酵过程中与小分子有机酸代谢及甲烷形成过程有关的特征微生物群落的种类和数量分布；同时通过研究上述厌氧发酵过程中相关特征微生物数量的变化以及该过程中丙酸/乙酸比值、丁酸含量与反应器运行效率的关系，来最终阐明固态有机废弃物甲烷发酵过程中小分子有机酸代谢和甲烷形成机制，建立固态有机废弃物厌氧发酵产酸控制模式，从而更好地优化固态有机废弃物厌氧发酵产甲烷过程，并对固态法产甲烷的规模化建设和生产具有较好的指导意义。

本研究针对蓝藻和厨余物进行固态混合发酵，研究高效产甲烷菌群的选育技术，研究反应体系中小分子有机酸的生成和转化机制，同时通过分子生物学技术明确在水解酸化和产甲烷阶段的微生物菌群演替情况。. 研究结果表明，采用稀土元素 La3+和Ce3+胁迫方式可获得高效产甲烷菌种，最佳的La3+和Ce3+胁迫浓度为1.5mg/L和0.15mg/L，此时产沼气率达到349.2 mL/gVS和324.9 mL/gVS。La3+胁迫比Ce3+胁迫效果更好。获得固态发酵下蓝藻和厨余物混合底物的最佳发酵比例为1:2.5，产甲烷量达到最大为123.94mL/gTS，通过Modified Gompertz模型分析，获得反应的延迟时间为4.07-4.83h。. 基于PCR-DGGE及克隆技术分析了不同物料负荷条件下微生物菌群结构的变化。结果表明：物料负荷的变化对酸化、产乙酸阶段微生物的群落结构影响不明显，其结构相对稳定；而产甲烷微生物群落结构随着物料负荷的提高有明显改变。在低负荷条件下甲烷八叠球菌属（Methanosarcina mazei）优势地位比较显著，随着负荷的提高，甲烷鬃菌属（Methanosaeta sp.）优势地位逐渐显著，当负荷提高到每升中总固体质量为25.0g时，甲烷鬃菌属（Methanosaeta sp.）优势地位尤为明显；聚类分析（UPGAMA）和Shannon指数表明在不同反应负荷下，微生物的群落结构变化明显。微生物的系统树图显示，细菌和古菌及低温下的古菌均可分为3大族群，但每个族群的组成不同。. 在物料负荷为每升8g总固体时，反应体系产甲烷效率最高，每克总固体餐厨垃圾产甲烷量达到115.7ml，反应体系中，乙酸作为挥发性有机酸的主要成分，随着物料负荷的提高累积量明显增加;随着物料负荷的提高，厌氧消化过程中挥发性脂肪酸浓度不断提高，对产甲烷阶段的底物抑制效力不断升高，乙酸浓度达到4-6 g/L时，产甲烷活性受到完全抑制。乙酸质量浓度不大于6g/L时，乙酸型代谢途径在反应体系中占据主导地位。随着乙酸质量浓度的不断提高，乙酸型产甲烷代途径受到强烈抑制，导致反应体系产气终止，而CO2和H2产甲烷途径虽然受乙酸抑制效力不明显，但是对反应体系产气量的增加贡献不大。.