[01142821]微生物降解酶系在沼气发酵中的协同作用及关键技术研究

一、课题来源与背景： 吉林省科学技术厅科技引导计划／国际科技合作;任务书编号：20120755;项目承担单位：吉林省农业科学院;项目合作单位：韩国光州科学院Woori＆bio研究所。沼气是一种可再生的能源,合理利用沼气池,有助于促进生态环境和农村自然条件。但是北方低温季节难以启动发酵,作为发酵原料的畜禽粪便大量堆积,利用率低,增加环境污染。因此筛选耐低温功能菌株,培养接种到低温沼气池,分析其对沼气发酵原料的作用,是冬季提高沼气产量的重要途径。比较国内外的研究现状,国内在开发低温高产沼气技术相关领域研究方面处于有一定的优势,但我们的弱点在于技术的转化和工艺设备的放大问题,应加大相关生物质转化设备的开发和过程自动控制研究,引用韩国先进的科研理论和管理方法,加强研究开发能力,利用农户普及型沼气发酵设备开发与调试工作伙伴,为我方研制的微生物菌剂及它的合理使用提供技术平台,开展沼气微生物发酵技术与废弃物降解转化应用方面的研究,解决北方低温导致沼气产气率低,转化率低等实际生产方面的问题。 二、技术原理及性能指标： （一）分离、筛选沼气发酵微生物菌株技术 从腐熟好的秸秆、沼气发酵池等常温腐质土壤中分离筛选13个具有纤维素降解能力的菌株中,开展分离筛选纤维素分解菌研究,选择纤维素降解酶活性最高的J10菌株,通过16srRNA基因系统发育树,鉴定为Bacillus cereus J10。从低温腐质土壤中分离筛选得到22株耐低温发酵功能菌株：结合透明圈观察及细胞生长趋势,扩大培养每个特定功能菌之后,应用到沼气发酵试验。 （二）沼气发酵微生物技术 分析微生物次生代谢酶的生化特征,研究其生化机理,开展水解酶类生化特性研究。对分离筛选得到的J10菌株进行反应条件优化实验,最佳降解纤维素条件为30℃反应温度;1.25%接种量;0.75% CMC-Na为碳源;1.5%胰蛋白胨为氮源,纤维素酶活增加2.8倍。在4-25℃的不同温度条件下,对分离筛选得到的22株功能菌进行最适温度实验,确定菌种可生长温度区域;利用代表菌株,进行扩大培养,发挥菌株最大生产力。 （三）提高沼气产量的微生物发酵技术 采用实验室自制的沼气发酵装置,加入不同配比的微生物复合菌剂,在长达60天的厌氧消化中,厌氧发酵6d,牛粪添加15%菌剂处理组,产气量最高。表明菌剂的添加有效促进沼气发酵中纤维素原料的分解,提高沼气产气率。将不同降解特性的功能菌株,扩大培养之后,组合到一起,投入到以猪粪为主原料的低温模拟沼气池中,当发酵到第18天,添加菌剂处理组,表现最高的日产气量为186mL;反应30天累计产气量达到1660mL;比对照增加28%;比对照组小幅度增加甲烷含量。 三、技术的创造性与先进性： 筛选耐低温、高酶活力、高催化效率的功能菌株,研发多种微生物组合发酵新工艺、新技术和新方法,拟在微生物筛选新途径及废弃物降解吸收技术上有所突破。 四、技术的成熟程度,适用范围和安全性： （一）技术的成熟程度：合作双方拟通过学术交流与合作的形式,筛选与鉴定沼气发酵微生物菌种,探讨微生物筛选途径,搞清废弃物利用关键过程的微生物次生代谢产物。探索微生物发酵途径,明确多种微生物组合与废弃物降解变化规律的关系,谋求农业废弃物低温发酵技术在沼气生产中的应用理论与关键技术。 （二）适用范围：我省具有丰富的农作物秸秆和粪便资源,这对我省沼气产业的发展提供了有利条件。在漫长寒冷的冬季农民不仅减少煤、电的消耗节省生活开支,而且其他季节循环利用剩余的沼液和沼肥促进畜牧业的发展,降低农业生产成本。高产高效低温菌种的利用大幅缩短废弃物降解时间,减少因启用昂贵加热系统而引起的设备投资和运行费用,有效地缓解农村能源紧缺的局面,促进生态环境和农村卫生条件的改善。 （三）安全性： 微生物处理技术由于成本低廉,反应条件温和及能有效杀灭种养废弃物里的病原菌,从而改善种养废物的不良物理性状,使种养废弃物达到减容和彻底稳定的效果。 五、应用情况及存在的问题： 畜禽粪便等种养废弃物经过微生物处理后,能作为良好的农业肥料在农田上被利用,但在实际推广应用中,还存在沼气发酵导致产气不稳定甚至不产气;种养废弃物中天然木质纤维素成分复杂,难以分解成可发酵性糖;单一纯菌株培养条件苛刻,存在抵抗力弱,受外界环境影响大;发酵产物对酶的合成及其活性产生的反馈抑制等一系列关键技术问题需要攻克。 六、历年获奖情况; 无。