厌氧产氢菌群分析以及高温MFC和浓差电池产电的初步研究

摘要

高温厌氧发酵是一项重要的环境生物技术，能够利用多种有机底物生产氢气、乙酸、丁酸等化学品。目前研究主要集中于反应器运行条件如：反应器构型、pH值、氢气分压(PH2)、底物负荷等因素的影响，而反应器中菌群变化的研究较少。因此，论文主要以高温(55℃)恒化器中丰富的微生物群落组成为研究对象，通过变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)、Illumina Miseq高通量测序分析、16s rRNA克隆文库测序等研究在不同操作条件下菌群的动态组成和变化。结果表明：高温厌氧杆菌属和芽孢杆菌在细菌中占主导地位，而在产氢反应器中消耗氢气的同型乙酸菌和古生菌则被淘汰。另一方面，代谢产物的变化与占主导地位的功能细菌的变化有关。PH2和pH值从4.0增加到5.5对微生物组成没有显著影响。而芽孢杆菌和高温厌氧杆菌属Propionispora hippei在pH值为中性或高葡萄糖浓度时在细菌群落里占主导地位。
　　同时本论文还在微生物燃料电池（MFC）和浓差电池两个方向开展了研究工作。在微生物燃料电池方面：以污水厂厌氧段污泥作为接种源，通过在中温（35℃）和高温（55℃）下进行培养，以乙酸钠为底物启动MFC系统富集产电。结果表明：在温度为35℃左右时电池的产电效率较高，最高电压可以达到600mV，影响产电的限制因素主要为传质限制。而在温度为55℃左右时，产电电压只能达到130mV。因为高温时影响因素较多，电池的内阻也较大。
　　在浓差电池的实验研究中，我们通过改变不同的分隔材料考察其对浓差电池产电性能的影响，在确定最优的分隔材料后，通过比较在浓差电池低浓度区加入离子交换树脂和不加离子交换树脂两种情况下的内阻大小，提高产电性能。结果表明：阴膜阳膜交替放置的产电电压明显比放单一膜的电池电压要高，当分隔材料为三张阴膜、两张阳膜时电池电压最大。并且加入离子交换树脂可以较明显的降低浓差电池的内电阻，提高浓差电池产电性能。