血晶素提高秸秆厌氧发酵产甲烷的微生物学机制研究

Due to the fermentation conversion rate can be improved significantly by electronic carrier is added in the straw anaerobic fermentation，which is an important technology of energy-oriented utilization, much attention has been given to the field. However, lacking an understanding of microbial mechanism about electronic carrier in the complex fermentation reaction and limited the straw bioconversion to further improve. Thus, this project is based on the previous research, and heme is used a typical electronic carrier as adding exogenous, combining near-infrared fluorescence labeling techniques and high-throughput sequencing technologies to study the mechanism of heme to improve methane production. Firstly, using two phase anaerobic digestion method to study the roles of heme in the specific fermentation stage. Secondly, heme is marked by near-infrared fluorescence nanocrystals, use the way of near-infrared fluorescence imaging to realize visualization research, analyze the effect of heme on the specific microbial strains, and reveal the response relationship between exogenous electronic carrier and the intensity of anaerobic respiration. Lastly, the bacteria and methane-producing bacterias are by high throughput sequencing to study the effect of heme on microbial community structure. This project will preliminary display the microbial mechanism of the improvement of methane production by heme supplement.

作为能源化利用的重要技术途径，在秸秆厌氧发酵中添加电子载体由于能显著提高发酵转化率而引起众多研究者的关注。然而，目前研究者对电子载体在这种复杂发酵反应中的具体微生物学机制还缺乏初步了解，从而阻碍其生物转化性能的进一步提高。为此，本项目拟在前期研究成果基础上，以典型的电子载体血晶素作为添加外源，结合近红外荧光标记技术和高通量测序技术，对其提高甲烷产量的具体作用机制进行明确的研究。具体地，首先采用两相厌氧消化法，初步明确血晶素添加在发酵体系中具体作用的阶段；进一步地，用近红外荧光纳米晶标记血晶素，利用近红外荧光成像的手段，以可视化的方法明确厌氧消化过程中血晶素具体作用的微生物菌系，揭示外源电子载体与厌氧呼吸强度之间的响应关系；最后，对该菌系及产甲烷菌群进行高通量测序，研究血晶素对微生物群落结构的影响，从而初步阐明血晶素促进甲烷产量提高的微生物学机制。

作为能源化利用的重要技术途径，在厌氧发酵中添加电子载体由于能显著提高生物转化率而引起众多研究者的关注。然而，目前研究者对电子载体在这种复杂发酵反应中的具体微生物学机制还缺乏初步了解，从而阻碍其生物转化性能的进一步提高。为此，本研究以典型的电子载体血晶素作为添加外源，结合近红外荧光标记技术，对其提高甲烷产量的具体作用机制进行了探索研究。其思路是：首先弄清在发酵体系中哪个阶段响应血晶素添加，在此基础上，用近红外荧光纳米晶标记血晶素，利用近红外荧光成像的手段，以可视化的方法明确响应血晶素添加的微生物菌系，以揭示外源电子载体与厌氧呼吸强度之间的响应关系，从而初步阐明血晶素促进甲烷产量提高的微生物学机制。主要结果如下：.以麦秸为材料，研究了外源电子载体对其厌氧发酵产甲烷的影响，并研究了不同外源电子载体、不同搅拌转速以及初始血晶素浓度对麦秸厌氧发酵产甲烷的影响，主要结论有：血晶素是较适宜的外源电子载体，该电子载体较适宜在静置条件下发酵制备甲烷，通过对血晶素初始添加浓度的优化，在培养基中添加1mg/L的血晶素对甲烷产量的提升有明显促进作用。为此，确立了最佳发酵条件为血晶素添加浓度为1mg/L，并采取静置发酵方式。.进一步研究发现血晶素的添加可以提高发酵过系统的NADH /NAD +比率，改善整个发酵过程的还原环境，进而提高体系甲烷生物转化率。此种方法预计可以应用于其他废弃生物质厌氧消化过程以及更多的商业燃料工业化生产中。.选择对生物体本身功能影响小、对所测生物活性反应敏感且无毒副作用的近红外纳米晶NaGdF4:Nd3+标记血晶素，得到了发光性能较好的NaGdF4:Nd3+@heme纳米复合材料（NPs@heme），将稀土纳米晶标记的血晶素（NPs@heme）用于厌氧发酵实验，在麦秸TS浓度4%，中温发酵30-d后，添加NPs@heme实验组甲烷TS产气率达到238.6 mL/g-TSadded，接近未标记的添加血晶素实验组产气率（250.7mL/g-TSadded），并且NPs@heme用于实验中，可以有效改善厌氧消化环境，提高该过程还原力。结合微生物菌群的分离，采用近红外光荧光检测系统，可在产甲烷菌中检测到明显的荧光，该现象进一步解释了血晶素用于提高辅酶F420活力的现象。可以推断出外源电子载体在厌氧消化过程中，对产甲烷阶段起有重要作用，这为进一步阐述外源电子载体在极其复杂的多