CN106434518A - 一种耐酸互营丙酸产甲烷菌系的驯化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐酸互营丙酸产甲烷菌系的驯化方法，所述耐酸互营丙酸产甲烷菌系包括丙酸氧化细菌群、互营丙酸氧化菌群、乙酸裂解产甲烷菌群、氢营养型产甲烷菌群，该方法以沼气发酵液为接种物，以丙酸为碳源，通过循环阶梯性降低培养基中pH的方法来驯化沼气发酵液来获得耐酸互营丙酸产甲烷菌系，得到的耐酸互营丙酸产甲烷菌系可长期稳定地在pH为6.0‑5.5酸性条件下稳定产气，其产气率为理论产量的60‑65％，丙酸及乙酸的利用率大于90％；具有耐冲击性强，生物强化作用稳定性高等优点，可用于因丙酸积累导致的产气下降或酸败发酵体系，促进丙酸降解及其降解产物产甲烷，提高沼气发酵性能。

Description

一种耐酸互营丙酸产甲烷菌系的驯化方法
技术领域：
本发明涉及微生物技术领域，具体涉及一种耐酸互营丙酸产甲烷菌系的驯化方法。
背景技术：
在能源短缺及环境污染的双重压力下，既能处理废弃物又能产生可再生能源的沼气产业得到了较快发展，从小规模的户用沼气走向了规模化生产。据统计，全国沼气用户约4300万户，全国规模化沼气工程约10万处，然而，多数沼气池由于无法长期稳定运行而处于闲置状态，大部分沼气工程至今无法盈利。由挥发性有机酸累积导致的酸抑制问题是制约沼气发酵稳定性及经济性的因素之一。酸抑制或酸败现象在餐厨垃圾、农林废弃物、城市有机垃圾、能源作物等为原料的厌氧发酵过程中常发生。酸抑制是由于厌氧发酵系统上游产酸过程与下游产甲烷过程失衡，中间产物挥发性脂肪酸累积(主要是丙酸，乙酸)，致使发酵系统pH降低，抑制了产甲烷菌的活性，最终导致发酵系统产气能力下降或者发生酸败。通常的解决方法是宏观上优化运行参数，如投加碱调节pH，或者降低有机负荷和发酵浓度，使发酵在相对较低的发酵浓度下运行，这就限制了发酵效率。随着生物强化技术在废水处理领域的应用，研究人员开始尝试将其应用到沼气发酵系统中，即人为的添加特定功能的微生物来应对酸抑制，提高发酵系统的稳定性，提高发酵浓度，或恢复酸败系统产气。
虽然，已有关于生物强化技术缓解酸抑制的报道，但是投加功能菌的多为购买的纯培养的针对丙酸降解的互营丙酸氧化细菌，或针对乙酸产甲烷过程的产甲烷古菌，亦或是人为地将几种微生物进行组合制成复合微生物菌剂。这些菌剂的制备技术存在以下问题：第一，厌氧的微生物培养条件苛刻，需要专门厌氧设备及微生物专业技术人员进行培养；第二，纯培养的微生物丙酸氧化细菌或产甲烷菌作为外源投加的菌种很难适应厌氧发酵系统中的复杂环境条件，如低pH，高丙酸浓度或乙酸浓度等；第三，单一类型的微生物作为生物强化菌剂投加到厌氧发酵体系后很难抵抗土著微生物的竞争并长期地保持生物持有量以发挥强化作用。此外，鉴于丙酸或乙酸的积累常伴随着pH下降，因此，为获得生物活性稳定且耐低pH的生物强化菌剂，有必要提出一种有效地驯化菌剂的方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种耐酸互营丙酸产甲烷菌系的驯化方法，得到的耐酸互营丙酸产甲烷菌系主要包括丙酸氧化细菌群、互营丙酸氧化菌群、乙酸裂解产甲烷菌群、氢营养型产甲烷菌群等，具有耐冲击性强，生物强化作用稳定性高等优点，用于提高沼气发酵性能。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种耐酸互营丙酸产甲烷菌系的驯化方法，所述耐酸互营丙酸产甲烷菌系包括丙酸氧化细菌群、互营丙酸氧化菌群、乙酸裂解产甲烷菌群、氢营养型产甲烷菌群，该方法以沼气发酵液为接种物，以丙酸为碳源，通过循环阶梯性降低培养基中pH的方法来驯化沼气发酵液来获得耐酸互营丙酸产甲烷菌系，该方法包括以下步骤：在氮气和二氧化碳体积比为4:1的混合气氛中，按体积比为19:1-9:1将接种物接种到50mL丙酸钠浓度为0.7g/L的新鲜培养基中，放入试剂瓶中37℃进行培养，每24h置换新鲜的培养基，10-15天为一个培养周期，每个循环包括3-4个培养周期，4个培养周期的pH设置为依次为7.5-7.0、7.0-6.5、6.5-6.0、6.0-5.5；3个培养周期的pH设置依次为7.5～7.0，7.0～6.5，6.5～6.0；完成一个循环的培养后，再将pH升回7.5-7.0，进入第二个循环培养，如此循环，直至获得在pH为6.0-5.5条件下稳定产气的耐酸互营丙酸产甲烷菌系；所述试剂瓶配有带两个孔的橡胶塞，其中一个孔中插有橡胶管至试剂瓶中下部作为进出料的通道，另一个孔连接收集气体的气袋；所述新鲜培养基配制方法为：在1L水中加入0.7g丙酸钠、400mg NH4Cl、250mg MgSO4·6H2O、400mg KCl、120mg CaCl2·2H2O、80mg(NH4)2HPO4、55mg FeCl3·6H2O、5000mg NaHCO3，还加入CoCl2·6H2O、Ni Cl2·6H2O、MnCl2·4H2O、CuCl2·2H2O、Al Cl3·6H2O、ZnCl2、Na2WO4·2H2O、H3BO3、Na2SeO3、Ma2MoO4·2H2O各0.0005mg。
本发明还保护所述耐酸互营丙酸产甲烷菌系的应用，所述耐酸互营丙酸产甲烷菌系可长期稳定地在pH为6.0-5.5酸性条件下稳定产气，其产气率为理论产量的60-65％，丙酸及乙酸的利用率大于90％。
本发明还提供一种耐酸互营丙酸产甲烷菌系固体菌剂的制备方法，将上述驯化后的耐酸互营丙酸产甲烷菌系菌液经离心弃去液体部分后置于厌氧环境下室温风干，收集固体粉末并真空密封保存得到耐酸互营丙酸产甲烷菌系固体菌剂。
本发明还提供一种液体浓缩耐酸互营丙酸产甲烷菌剂的制备方法，将上述驯化后的耐酸互营丙酸产甲烷菌系菌液经离心，收集全部的固体沉淀及少许上清液，利用灭菌的液体甘油封液面以隔绝空气，-20℃低温保存。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明得到的耐酸互营丙酸产甲烷菌系，可加速丙酸降解和丙酸降解的产物(乙酸、氢气及二氧化碳)产甲烷，可长期稳定地在pH为6.0-5.5酸性条件下产气，丙酸及乙酸的利用率大于90％。该菌系可作为生物强化菌剂投加到发酵罐中，加速因丙酸及乙酸累积导致的酸败发酵体系恢复产气，也可用于提高沼气发酵的有机负荷及发酵浓度，具有耐冲击性强，生物强化作用稳定性高等优点。
(2)本发明得到的耐酸互营丙酸产甲烷菌系固体菌剂和液体浓缩耐酸互营丙酸产甲烷菌剂便于运送和长期保存。
附图说明：
图1是本发明实施例2中添加耐酸互营丙酸产甲烷菌系发酵体系与空白对照在不同有机负荷的餐厨垃圾厌氧发酵产气性能对比图；
其中，R1为添加有丙酸产甲烷菌系发酵体系，R2为空白对照。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
本实施例接种物沼气发酵液为餐厨垃圾发酵液，有机负荷1.0g/L d，日容积产气率为0.3L/L d。(也可选取其他任意稳定运行发酵罐的发酵液)。
培养装置为1L的试剂瓶，所述试剂瓶配有带两个孔的橡胶塞，其中一个孔中插有橡胶管至试剂瓶中下部作为进出料的通道，另一个孔连接收集气体的气袋；。
本实施例耐酸互营丙酸产甲烷菌系的驯化方法，包括以下步骤：在氮气和二氧化碳体积比为4:1的混合气氛中，以保证厌氧环境，将接种物950mL接种到丙酸钠浓度为0.7g/L的50ml新鲜培养基中，放入1L的试剂瓶中37℃的水浴锅中进行静置培养，每24h用注射器吸出50ml的菌液，并注入50ml新鲜的培养基，10-15天为一个培养周期，每个循环包括3个培养周期，参见表1，3个培养周期的pH设置依次为7.5～7.0，7.0～6.5，6.5～6.0；完成一个循环的培养后，再将pH升回7.5-7.0，进入第二个循环培养，如此循环，直至获得在pH为6.0-5.5条件下稳定产气的耐酸互营丙酸产甲烷菌系；所述试剂瓶配有带两个孔的橡胶塞，其中一个孔中插有橡胶管至试剂瓶中下部作为进出料的通道，另一个孔连接收集气体的气袋；
所述新鲜培养基配制方法为：在1L水中加入0.7g丙酸钠、400mg NH4Cl、250mgMgSO4·6H2O、400mg KCl、120mg CaCl2·2H2O、80mg(NH4)2HPO4、55mg FeCl3·6H2O、5000mgNaHCO3、还加入CoCl2·6H2O、NiCl2·6H2O、MnCl2·4H2O、CuCl2·2H2O、AlCl3·6H2O、ZnCl2、Na2WO4·2H2O、H3BO3、Na2SeO3、Ma2MoO4·2H2O各0.0005mg。
表1
驯化后互营耐酸丙酸产甲烷菌系可长期稳定地在pH为6.0-5.5酸性条件下稳定产气，其产气率为理论产量的60-65％，丙酸及乙酸的利用率大于90％。
将上述驯化后的耐酸互营丙酸产甲烷菌系菌液以5000-8000rpm的转速离心5-10min，弃去液体部分后置于厌氧环境(厌氧操作箱，厌氧气袋)下室温风干，收集固体粉末并真空密封保存得到耐酸互营丙酸产甲烷菌系固体菌剂。
将上述驯化后的耐酸互营丙酸产甲烷菌系菌液以5000-8000rpm的转速离心5-10min，收集全部的固体沉淀及少许上清液，利用灭菌的液体甘油封液面以隔绝空气，-20℃低温保存。
实施例2：本发明获得的耐酸互营丙酸产甲烷菌系促进酸败发酵系统恢复产气的生物强化作用
发酵原料：人工配置的餐厨垃圾，由米粉，奶粉及全蛋粉组成的，三种成分的比例为米粉：蛋白粉：奶粉为2：1：1，C/N为30。
接种物：餐厨垃圾厌氧发酵液。
反应装置：2L的连续CSTR在线自动采气装置。
实验设置：共运行2个2L半连续厌氧发酵罐，分别为R1，R2。R2为空白对照，即餐厨垃圾独立厌氧发酵，不添加菌剂。R1从运行的第96天开始每天添加实施例1得到的耐酸互营丙酸产甲烷系固体菌剂0.3g。
2个反应器的运行过程如下：水力停留时间(HRT)为20天，即每天排出100ml的发酵液，注入100ml的人工配置的餐厨垃圾。2个反应器共连续运行160d，前4个HRT，每个HTR的有机负荷率(OLR)依次为0.5g/L d，0.75g/L d，1.0g/L d及1.5g/L d，第五个HRT开始OLR提至2.0g/L d并维持4个HRT至160天。
结果表明：前4个HRT有机负荷率从0.5g/L d升至1.5g/L d，R1和R2均可稳定产气，且产气量相当，当有机负荷提升至2.0g/L d时，R1和R2均明显下降，第95d时，两个反应器的容积产气量降至130mL/L。从第96天开始，每天在R1中添加本发明获得的耐酸互营丙酸产甲烷菌系0.3g，发现R1的产气能力迅速恢复，并在116天达到稳定产气水平，不加菌剂的R2在运行105后已完全不能产气(图1)。
由此可见，通过本发明得到的耐酸互营丙酸产甲烷菌系可促进酸败系统恢复产气，并提高厌氧发酵体系在相对较高的有机负荷下运行的稳定性。

Claims (4)

1.一种耐酸互营丙酸产甲烷菌系的驯化方法，其特征在于，所述耐酸互营丙酸产甲烷菌系包括丙酸氧化细菌群、互营丙酸氧化菌群、乙酸裂解产甲烷菌群、氢营养型产甲烷菌群，该方法以沼气发酵液为接种物，以丙酸为碳源，通过循环阶梯性降低培养基中pH的方法驯化沼气发酵液来获得耐酸互营丙酸产甲烷菌系，该方法包括以下步骤：在氮气和二氧化碳体积比为4:1的混合气氛中，按体积比为19:1-9:1将接种物接种到丙酸钠浓度为0.7g/L的新鲜培养基中，放入试剂瓶中37℃进行培养，每24h置换新鲜的培养基，10-15天为一个培养周期，每个循环包括3-4个培养周期，4个培养周期的pH设置为依次为7.5-7.0、7.0-6.5、6.5-6.0、6.0-5.5；3个培养周期的pH设置依次为7.5～7.0，7.0～6.5，6.5～6.0；完成一个循环的培养后，再将pH升回7.5-7.0，进入第二个循环培养，如此循环，直至获得在pH为6.0-5.5条件下稳定产气的耐酸互营丙酸产甲烷菌系；所述试剂瓶配有带两个孔的橡胶塞，其中一个孔中插有橡胶管至试剂瓶中下部作为进出料的通道，另一个孔连接收集气体的气袋；所述新鲜培养基配制方法为：在1L水中加入0.7g丙酸钠、400mg NH4Cl、250mg MgSO4·6H2O、400mg KCl、120mg CaCl2·2H2O、80mg(NH4)2HPO4、55mg FeCl3·6H2O、5000mg NaHCO3，还加入CoCl2·6H2O、NiCl2·6H2O、MnCl2·4H2O、CuCl2·2H2O、AlCl3·6H2O、ZnCl2、Na2WO4·2H2O、H3BO3、Na2SeO3、Ma2MoO4·2H2O各0.0005mg。
2.一种耐酸互营丙酸产甲烷菌系的应用，其特征在于，将权利要求1得到的耐酸互营丙酸产甲烷菌系在pH为6.0-5.5条件下稳定产气。
3.一种耐酸互营丙酸产甲烷菌系固体菌剂的制备方法，其特征在于，将权利要求1驯化后得到的耐酸互营丙酸产甲烷菌系菌液经离心弃去液体部分后置于厌氧环境下室温风干，收集固体粉末并真空密封保存得到耐酸互营丙酸产甲烷菌系固体菌剂。
4.一种液体浓缩耐酸互营丙酸产甲烷菌剂的制备方法，其特征在于，将权利要求1驯化后得到的耐酸互营丙酸产甲烷菌系菌液经离心，收集全部的固体沉淀及少许上清液，利用灭菌的液体甘油封液面，-20℃保存。
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