發酵產氫菌株與混合培養系統種群生態研究

近年來基于乙醇型發酵制氫工藝和理論,開展了大量以提高該工藝的產氫效率、完善工程控制對策、實現工業化生產為最終目的的理論和應用研究。篩選出若干株產乙醇桿菌,獲得了大量工程控制數據,研究取得了很大的進展。但是乙醇型發酵制氫工藝的工程控制對策還有待完善,產氫效率還有待進一步提高。尤其是混合菌種乙醇型發酵產氫系統的生態學機制還未完全揭示,監測手段尚需完善。本論文就是以乙醇型發酵產氫系統為核心,對篩選出的產乙醇產氫菌株進行了鑒定,并利用改進的FISH監測技術對混合菌種發酵產氫系統的細菌種群生態進行了深入研究。分離出2株乙醇型發酵產氫菌株C12,C3。經生化和電鏡以及分子生物學技術,比較了它們與本實驗室原有菌株——哈爾濱產乙醇桿菌(Ethanoligenens harbinense)B49的形態特征、生理生化特征和產氫影響因子,分析了它們的16S rDNA序列和系統發育關系,以及16S-23S rRNA基因間隔區序列的相似性,確定它們應同屬于哈爾濱產乙醇桿菌。并在此基礎上進行了設計產乙醇桿菌屬(Ethanoligenens)專一性16S rRNA寡核苷酸探針的研究。結果證明在16S rRNA基因序列中不存在產乙醇桿菌屬的專一性寡核苷酸探針靶序列,應該在23S rRNA基因序列和16S-23S rRNA間隔區序列中尋找可能的片段。對已有的環境微生物FISH實驗技術進行了改進。篩選出適合用于發酵產氫菌群動態監測的寡核苷酸探針Chis150,Ent183和HGC等,并確定了它們的最佳雜交條件。初步建立了以梭菌屬、產乙醇桿菌屬和腸桿菌科為監測對象的FISH監測系統。然后在對以往的FISH實驗方法進行分析、比較和預試驗的基礎上,簡化了操作步驟,優化了實驗條件,降低了實驗成本,使之更加適合于混合菌種發酵產氫系統的快速監測。應用改進的FISH技術,監測了連續流攪拌槽式(CSTR)發酵制氫反應器的啟動階段、乙醇型與丁酸型2種產氫發酵類型運行過程和發酵類型轉化過程中的目標菌群動態,以及厭氧折流板式發酵產氫系統(ABR)中的目標菌群豐度等,并深入分析了種群生態對產氫速率、生物量和發酵產物的影響及其與發酵類型的關系。首次發現梭菌屬、產乙醇桿菌屬和腸桿菌科在決定產氫發酵類型方面有重要作用。乙醇型發酵以梭菌屬和產乙醇桿菌屬為優勢種群,丁酸型發酵以腸桿菌為優勢種群。指出在混合菌種發酵產氫系統啟動期有機負荷和pH值共同影響發酵類型的形成,而運行期pH值是最重要的調控因子,并對工程控制對策提出了相應建議。