生物电解产氢系统微生物群落结构与群落动态解析

论文摘要

目前,发酵制氢工艺中亟待解决的问题是提高单位基质的转化率,2005年国际上提出了生物电解产氢系统（microbial electrolysis cell for H2 prodcutions,MEC）,可以利用末端发酵产物中小分子有机质制取氢气的研究。但是,对该系统内微生物的认识还很有限。因此,本研究着眼于生物电解产氢系统,利用PCR-SSCP技术,对MEC系统的微生物群落结构及群落动态进行分析,以期为工艺运行提供理论指导。首先,优化了用于MEC系统微生物群落结构分析的PCR-SSCP方法。采用“污泥清洗→酶法/物理法联用”法（用PBS缓冲液清洗污泥,破壁时加入石英砂、溶菌酶和蛋白酶K作用之外加入SDS缓冲液深度破壁同时减少非特异性吸附,最后采用吸附柱纯化DNA）提取MEC系统的DNA,接着进行“少量模板PCR”,最后MEC系统的SSCP图谱,使用AM与DMAM的比例为49︰1,质量分数为10%的凝胶加入5%的甘油,上样缓冲液中去离子甲酰胺的浓度为20%,常温下300V电泳17个小时。利用优化的PCR-SSCP技术,分析MEC系统的微生物群落结构与动态,并对图谱中主要条带进行克隆、测序分析。实验结果表明,MEC系统从产电阶段向产氢阶段转化时悬浮液和生物膜的微生物群落结构都发生了剧烈的变化,产氢阶段的生物膜上的微生物群落更复杂。说明初期驯化形成的群落在加上外加电压后又产生明显的变化。所以建议以后直接以产氢工艺条件启动MEC系统。MEC系统产电阶段生物膜上检测到功能菌Shewanella并且该菌属在系统内占优势,产氢阶段除Shewanella之外还检测到了其他具有电子传递功能的功能菌,如Pseudomonas,Agrobacteriu和Flavobacterium,这些菌属在MEC产氢阶段生物膜上占优势。产氢阶段检测到Desulfonauticus可以利用乙酸还原硫化物氧化质子,降低质子传递的效率,进而使系统效率降低。与产电阶段相比MEC系统产氢阶段,阳极生物膜上的微生物群落与阳极悬浮液中的微生物群落更相关,分析认为外加电压的加入改变了体系内的能量和物质传递的过程,悬浮液中的微生物在很大程度上影响系统地效率。因此在MEC产氢系统内要注意保持悬浮液内微生物群落的稳定性。葡萄糖为底物的MEC系统启动32天彻底酸化崩溃,该系统在第16天到第22天处于稳定阶段,输出电压稳定在210mV左右;系统在微生物种类最丰富时,输出电压没有达到最大值,而当大部分微生物开始被减弱时,输出电压到了最大值,与微生物的增长相比,体系输出电压的增长具有滞后性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 生物电解产氢技术及其发展现状
• 1.1.1 生物制氢技术与微生物燃料电池技术
• 1.1.2 生物电解产氢技术的原理
• 1.1.3 生物电解产氢技术的研究现状
• 1.1.4 生物电解产氢系统的微生物
• 1.2 微生物分子生态学技术及其在环境样品分析中的应用
• 1.2.1 限制性酶切片段多态性技术
• 1.2.2 扩增片段长度多态性技术
• 1.2.3 扩增的片断多态性技术
• 1.2.4 变性梯度凝胶电泳
• 1.2.5 单链构象多态性技术
• 1.3 本研究课题研究的主要内容和意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本研究的目的和意义
• 1.3.3 研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 生物电解产氢工艺
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 实验用水
• 2.1.3 接种污泥
• 2.1.4 MEC的评价指标
• 2.1.5 分析项目和检测方法
• 2.2 微生物群落结构分析方法
• 2.2.1 主要分子生物学生化试剂和仪器设备
• 2.2.2 实验所用泥样的采集
• 2.2.3 基因组DNA的提取和纯化
• 2.2.4 PCR扩增
• 2.2.5 PCR产物的λ核酸外切酶处理及再纯化
• 2.2.6 凝胶制备及SSCP图谱的获得
• 2.2.7 条带分离及相关DNA片段的克隆与测序
• 2.2.8 系统发育学分析
• 2.2.9 PCR-DGGE实验方法
• 第3章 PCR-SSCP条件优化
• 3.1 DNA提取及纯化方法的优化
• 3.1.1 DNA提取方法优化
• 3.1.2 DNA纯化方法的优化
• 3.2 PCP扩增条件的优化
• 3.3 影响SSCP图谱的主要因素及其优化
• 3.3.1 上样缓冲液中去离子甲酰胺浓度
• 3.3.2 甘油的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于PCR-SSCP技术分析MEC系统的微生物群落结构与动态
• 4.1 产电阶段向产氢阶段转化过程中微生物群落动态分析
• 4.1.1 产电阶段向产氢阶段转化过程中MEC系统的运行效果
• 4.1.2 不同阶段转化过程中MEC系统的微生物多样性分析
• 4.1.3 不同阶段转化过程中MEC系统微生物群落结构与群落动态
• 4.1.4 MEC系统不同阶段转化过程及其群落结构分析的效能
• 4.2 MEC系统不同部位的微生物群落特征
• 4.2.1 长启动周期MEC系统不同部位的微生物群落特征
• 4.2.2 短启动周期MEC系统不同部位的微生物群落结构
• 4.2.3 不同启动周期MEC系统不同部位微生物群落结构
• 4.3 本章小结
• 第5章 MEC系统酸化过程中微生物群落动态分析
• 5.1 MEC系统的运行效果
• 5.1.1 接种污泥及初始运行条件
• 5.1.2 阳极pH值与输出电压的变化
• 5.2 MEC系统酸化阶段微生物群落动态
• 5.2.1 酸化过程中MEC系统微生物多样性分析
• 5.2.2 酸化过程中MEC系统的微生物群落动态
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢