（环境科学专业论文）餐厨垃圾制氢体系产氢菌分离及微生物群落结构研究.pdf

华 东师 范 大李 2009 届 硕 卜 学 位 论文 2009 届研 究生硕 士学位 论 文 学校 代码 : 10269 学号: 5 1060802047 季束呼托术带 餐 厨垃圾制氢体系产氢菌分离及 微生物群落结构研 究 院系 : 专业 : 研究方向 : 指导教 师 : 硕 士研 究 生: 工 2 一本 为二 尸 !、， 占 己科学 2009 年 5 月上 海 华 东师 范 大李 2009 届子 吹 卜 学位论 文 d egree 八孕er of m 橄 ster ca n dida te 1，1 200 夕肠， ivers御 co de:i刃 砂 e 刀r 口l l me n 刃 t n u 乃 夕 b e r :5 1 0 6 0 8 0 2 0 4 7 e a s t c h i n “八 协r m a l u n i ver s 御 is口 lation of hy dr og en 一ro du ci儿 9 b ac teri“an d 乃 了 葱 erobial co m m u， ， 御 st ri一 eture of b io一 ll x dr og en pr 口 du ction fr 口 m fo 口 d 口rigin 干 均ste d ep a rtn l e ， t: pr og r“m: e n v iro n m en tal s e ien ee e n v iro n m en ta l s e ien e e r ese a re h a re a : e n v iro n m en tal mie ro o ra ll l 5 111 s llp erviso r: h n d id “ te : l i x it一 v an z h ao d an 2 0 0 9 .5 华 东师 范大学 2009 届了 吹学位 论文 学位论文独创性声 明 本人所 呈交 的学位论 文是 我在导 师的指 导下进行 的研 究工 作及取得的研究成果。 据我所知， 除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含其他个人 已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的 研 究做 出重要贡献的个人和集体 ，均 已在文中作 了明确说 明并表 示谢 意。 作者签名 : 一金兰日期 学位论文授权 使用 声 明 本人完全 了解华东师范大学有关保 留、使用学位论文的规定 ，学 校有权保 留学位论文并 向国家主管部 门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版 。 有权将 学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论 文进入 学校 图书馆被查 阅。 有权将学位论 文的 内容编入有关数据库进 行检 索。有权将 学位论 文的标题和摘要 汇编 出版 。保 密的学位论 文在 解 密后适用本 规定 。 学 位 论 文 作 者 签 名 :灸丹导 师 签 名 :杯 喇 少 日 期:酬 只歹 、 扩 日期: 夕犷 丫 乙了 华 东师 范 大学 2009 届硕 士学位 论文 赵旦硕士学位论文答辩委员会成员、评阅人名单 姓 姓 名 名职称 称单位 位备注 注 赴 赴由 才 才教 皮 皮，司 挤、 享 享主 席 席 深 深丈成 、 、副敬 渡 渡穿 扣币 粼 嘻 嘻 嘻 陶 陶 红 红 了 了夕 得碑 工 却多 多 多 . . . 门 门 门 门 剐 剐 剐叔 投 华 东师 范大学 2009 届硕士学位 论文 摘要 餐厨垃圾厌氧 发酵制氢技术有较高 的有机 负荷承受能力 ，并具有微 生物 比产 氢速率 高、无光照要求 ，可利用底物 范 围广 以及工艺简单等优 点 ; 更为重要 的是 在处理废 弃物 的同时回收生物质 能 ， 这对 于 能源 日益紧张 的现今社会 具有 更为重 要 的现 实意义 。因此 ，厌氧 发酵制氢技术是 目前餐厨垃圾大规模 处理利用 的主要 发展 方 向。 本文从产 氢 菌 的分 离 、制氢 体系条件优 化 以及微 生物 群落 结构差 异分 析 等方 面对餐厨垃圾制氢体系进行研 究 ，结论如下 : (l) 采 用 五种培养 基 ，共 分离得 到 48 株 菌 。经产氢检验 ，其 中有 10 株 为 产 氢 菌 。分 别 是 : h b z io3 ，h b z 104 ，h b z 108 ，h b z llo ，h b z zo3 ，h b z 204 ， h b z 305 ，h b z 502 ，h b z so4 和 h b z 514 。经 165 rd n a 鉴定 ，均属 于乳 酸杆 菌 属 。 (2 ) 选取产氢较好 的两株菌 h b z 108 和 h b z203 进行生长性质研 究 。结果 表 明，菌株 h b z 108 和 h b z zo3 为严格 厌 氧 ，革 兰 氏阳性 ，杆 菌 。h b z 108 和 h b z zo3 的生长 最适 ph 分别为 7. 0 和 6. 0 ，最佳 生长温度 均 为 35oc 。h b z 108 和 h b z zo3 均 可 利用 多种 碳源 。其 中 ，h b z 108 和 h b z 203 的最适碳 源 分别 是甘 露 醇和 葡 萄糖 。 (3 ) 碱 剂 x y f 和 矿 化 垃圾 的添 加 实验 表 明， x y f 和 矿化 垃 圾 能够 提 高 餐 厨 垃 圾 产 氢 系 统 的产 氢 性 能 。d g g e 一 p c r图谱 表 明 ，在 反应 过程 中 ，厌 氧 活 性 污 泥 微 生物 群 落 结 构存 在 演 替过 程 ，优 势 种 群 的功 能地 位 处 于动 态 变 化 中 。在 各 反 应 阶段 ，a组(对 照 组 )、b 组(添 加 矿 化 垃 圾 的实验 组 ) 的带 型较 为接 近 ，而 c 组 (添 加 碱 剂 x y f 的实验 组 ) 和 d 组 (添 加 碱 剂 x y f 和矿 化 垃 圾 的 实 验 组 ) 的带 型较 为相 似 。 (4 ) 通 过 添 加 灭 菌 矿 化 垃 圾 和 未 灭 菌 矿 化 垃 圾 探 讨矿 化 垃 圾 促 进 产 氢 的 作 用 机 制 。结 果 显 示 ，矿 化 垃 圾 的投 加 改 变 了体 系 的微 生物 群落 结 构 ，提 高 了产 氢 能 力 ，同 时 发 酵 类 型 也 由 乙醇 型 变 为 丁 酸 型 。矿 化 垃 圾 含 有 的丰 富 的微 生 物 是 提 高 产 氢 性 能 的重 要 因素 ， 同时矿 化 垃 圾 的多 孔 结 构可 能也起 到 重 要 作 用 。e r ic 华 东师 范大学 2009 届硕 l 学位 论文 指纹 图谱 显 示 a 组 与 b 组带 型相似 ，c 组条 带较 a 、b 组 少 。从 图谱分析 ，未 灭菌矿 化 垃圾 的添 加 并未增加 体 系 d n a 条 带 的多样 性 ，但 带型有所变 化 ，矿 化 垃 圾 的添 加 可 能是 由于优 化 了微 生物群落 的结构促进 产 氢 。 关键 词 : 生物 制氢餐厨垃圾 产氢 菌 矿化 垃圾 x y f 华 东师 范大学 2009 届硕 1:学位论文 a b str a et t h e teeh n o lo g y o f ferm en tativ e b io 一 h y d ro g en p ro d u etio n u sin g foo d o rig in w aste ean bear high organie loading. t here are other advantages: high hydrogen yield， p ro d u cin g h y d ro g en w ith o u t ligh t ， w id e ran g e o f carbo n so u rees an d sim p le p roeess. it 15 v ery im p o rtan t to relief en erg y sh o rtag e . t h erefore，ferm en tativ e b io 一 h y d ro g en p rod u etio n w ill b e th e m ain m eth o d to d eal w ith foo d o rig in w aste . iso latio n o f h y d ro g en 一 p ro d u ein g b aeteria， o p tim izatio n o f b io 一 h y d ro g en p ro d u ein g sy stem an d d iff e ren ce an aly sis o f m iero b ial eo m m u n ity struetu re w as stu d ied .c o n elu sio n s are as follo w s: (1) 48 strains baeteria w ere isolated by fi ve m edia. ten(h b z 103 ，h b z io4 ， h b z io s ，h b z l lo ，h b z 2 0 3 ，h b z 2 0 4 ，h b z 3 o s ，h b z 5 0 2 ，h b z 5 0 4 an d h b z s 14)of them w ere hydrogen一 produeing baeteri a.t hey w ere la cto b a cillz 5 sp . b y 1 6 5 rd n a id en tifi e atio n . (2) g row th propert ies of strain h b z 108 and h b z zo3 w ere studied.t he results sh o w ed th at th e tw o strain w ere strietly an aerob ie， g ram 一 p o sitiv e. t h e o p tim u m p h o f strain h b z io s an d h b z 2 0 3 w ere 7 .0 an d 6 .0 ，rep eetiv ely. t h e o p tim u m tem p eratu re o f th e tw o strain w ere 3 5 ac .t h e tw o strain u se various earbon sourees. t he high est o d value of strain h b z 108 w as obtained fro m m an n ito l. an d th e h igh est o d v a lu e o f strain h b z 2 0 3 w a s o b ta in ed fro m g lu eo se (3) a lkaline agent x y f and aged refuse w ere dem onstated to enhance hydrogen p ro d u etio n u sin g foo d o rig in w aste.d iff e ren ee an aly sis o f m icro b ial eo m m u n ity struetu re sh o w ed th at m iero b ial eo m m u n ity struetu re an d p o p u latio n o f an aero b ie slu d g e w ere su ece ssio n a l. a t d iff e ren t sta g e，am o u n t and posi ton of lanes of groupa(control group)w as si m ilar to group b (experi m ental group w ith aged refuse)， and those of group c (experim ental group w ith x y f ) w as sim ilar to groupd (experim ental group w ith aged refuse and x y f ). (4) h ow aged refuse prom ote hydrogel l produetion w as studied. t he results p ro v ed th at a g ed refuse p lay a ro le as b io lo g ical一 m ed iu m an d p ro v id e v ario u s b aeteria . p o ro u s strue ttlre o f a g ed refuse m ay a ff e ct ferm en tatio n ty p e o f b 10 一 h y d ro g en p ro d u in g fro m k iteh en w a ste . a n d m iero b es su p p lied b y ag ed refose im p ro v ed th e u tiliz atio n o f th e su b strate . h o w erve r， b an d in g p atterns of groupa(eontrol group)and grot甲b (experi m ental grot: p w ith unp asteurized aged reft :se) are sil n ilar- a ged refl l se m ay p lay an im portant ro le b y o p tixn iz e tl le m iero b ia l co n ln lu l lity struetu re， w h ie h n e ed s n lo re re se a re h . k ey 、 v o rd s:b io 一 h y d ro g en p ro d u e in g ，foo d o rig in w aste ， h y d ro g en 一 p ro d u e ixlg b aeteria ag ed re fuse ， x y f 11! 华 东师 范大学 2009 届硕 士学位论 文 目录 摘 要. ” .” 二 ” .“ “ . “ “ 二 “ .” ” .“ .“ . . ” . . “ . . ” ” 二 ” ” ” . “ “ ” ” .” .“ 二.“ ” 一” “ “ .” 二 ” .“ “ :. ” ” .了 a b s t r 月c t .” “ “ : .” ” ” ” ” ” “ “ “ “ . ” .” ” .“ “ . ” ” .” . . ” ” . . “ “ “ “ “ ” ” . .” .” “ .“ . . 一 ” .” “ .“ ” ” ” “ 二“ ” ” . . 一 刀 了 第一章绪 论 .“ .“ “ ， . 二” ” .“ 二 “ .“ . ” 二“ “ .“ . . .” 一” . “ “ . ” . 一 “ ” ” 一” 二“ . . ” . .“ :.了 1.1 国内外研 究进展” ” .” “ “ “ “ ” 一 “ .” 一 二 “ 一 “ 二” ” ” ” 一” . 一 ” . ” .” .二“ .” .” ” 一 . 一 ” “ . ” .1 1.1.1 厌氧 发酵生物 制氢 技 术研 究进 展 . . . . .， . . . . . . . . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 .1 .2 餐厨垃圾厌氧 发酵 制氢研 究进 展 . ， . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.3 分子生 态学研 究方 法 及其 在微 生 物 群 落结构 研 究 中的应 用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .巧 1.2 本 文研 究 内容与意义二 .” ” . 一 ” “ .“ 二” “ . ” ” ” ” ” . “ . “ “ “ “ “ ” 一” . 一二 “ “ “ .” :. ” 一” ” . ” 一 ” 二” 一 20 1.2.1 研 究 内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . . . . . . . . . . .20 1.2.2 研 究意义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 1.2.3 技 术路 线 . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 第二 章 餐厨垃圾 制氢体 系产 氢菌 的分离及鉴 定 二 “ 一” ” 二 ” ” . ” . ” ” .” . “ “ “ “ .“ 二 ” .“ . “ :. ” . ” ” ” .” ” ” .zj 2.1 材 料 与方 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 2.1 .1 分离 源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 2.1 .2 培 养 基 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1 .3 分 离和纯 化方 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2s 2.1 .4 产 氢 菌 的筛选 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1 .5 产 氢 菌 的 165 rona 鉴 定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 2.2 结 果 与 讨 论 . . . . . . . .， .， . . . . .， .27 2.2.1 厌氧 培养 条件 摸 索 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.2 厌 氧 细 菌 分 离 与 筛 选 . . . 27 2.2.3 培 养 基 分离 效 果 比较 . . . . .， . . . . . .30 2.2.4 产 氢 菌 的 1 65 rona 鉴 定 结 果 . . . . .3 1 2.3 本 章 小 结 ， . . .， 二 ， . . . .32 第 三 章两株 产 氢 菌生 长性 质研 究 . . .一. . . . 一. 一 一 一 一 一 一刃 3.1 材 料 与方 法 . . . . ， .， . . . . . . . . . . . .， . . . . .33 3.1 .1 菌 种 . . ， . ， . . . . . . . .， . .， 二 ， . . .， . .33 3.1 .2 细 菌 形 态 观 察 ， . . . . . . . . . . .， .， . . ， ， . . 。 33 3.1 .3革 兰 氏染 色 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 3.1 .4 生 长 特 性研 究. . . . .， .， . . . . . ， 34 3.2 结 果 与 讨 论 . . . . . . . . . .， . . . . . . .35 3.2.1 细 菌 形 态 .， .， .， . . . . . .， . . . . . 35 3.2.1 细 菌生 长 特 性 .， . . ， ， .， 二 ， . .。 . . 36 3.3 本 章 小 结 . . . .， . . . . . . . . . . . . . . 39 第 四 章餐厨 垃 圾 制 氢 体 系微 生 物 群 落 结 构 变 化研 究 . . . . . . . . . . . . . . .， .二 40 4.1 材 料 与方 法 . . . . . . . . . . . 40 4.1 .1 实验 材 料 . . . . . . . . . . . . . . . . 40 华 东师范 大学 2009 届硕士学位论文 4.1 .2 实验 装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 4 .1 .3实验 设 计 . . . .， . .4 1 4.1 .4实验 方 法 . .， . . . . . .42 4.2 结 果 与讨 论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 4.2.i xy和 矿 化垃 圾 的添 加 对 餐厨 垃 圾 产 氢 体 系 的影 响 . . . . ， . . . . . . . . . . . . . .46 4.2.2 矿 化垃圾 对 餐厨 垃 圾 产氢 体 系 的作 用研 究 . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . .s2 4.3 本 章 小 结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . 57 第五章 结论 与展望” . :. ” .” ” 一” ” 二 ” ” . ” ” .” “ .“ 二“ . 一” .” ” . .” 一 “ . 一” 一 . ” ” .卯 9 0 05 一b 6 5.1 结 论 . . 5.2 论 文创 新 点 5.3 研 究 展望 参考文献 二” :. ” . ” 二 :. ” ” . ” ” “ “ “ . “ . “ . ， :. ” . ” ” ” . “ .“ “ “ . ” .” ” . ” “ ” . “ “ .” .” :. “ :. ” “ “ . . . 一 ” ” ” 一“ 二 “ ” .耐 硕 士期 间研 究成果. . ” ” . ” ” ” “ .“ “ ” 二 ” . ” ” .“ ” .” .“ “ . “ . ” 二 ” 二 ， ” 二 “ . “ “ :.二 ” .” “ 二 ” 一” . .“ 一 “ . 7 致谢” ” “ “ .“ “ “ “ . ” ” ” . ” ” ” ” ” 二” . 一 . . . . ” ” ” ” ” ” ” .“ “ “ 二 .“ . . ” ” ” “ .“ 二 “ :. . .68 华 东师 范大学 2009 届硕士学位 论 文 第一章绪论 课 题来源 课题来源上海市科委2006年重 点项 目有机 垃圾 高效厌氧发酵技术(n o. 0 6 d z 12 00 6 )。 本文在该课题 资助下 开展 负责有机垃圾厌氧 发酵 高效产氢菌 的筛分 、鉴 别 、 性质研 究和产氢系统微 生物群落 结构分析 。 .2 国内外研 究进展 1 .2.1 厌氧发酵生物制氢技术研 究进 展 氢气燃烧 时仅产 生水 ，对 环境没有任何 污染 ; 在所 有燃 料 中 ，单位 质 量燃 料 所含能量以氢气为最高(122 kj/g)， 并且燃烧效率也最高(比汽油高50% ) j。 因此， 氢气 以其清洁 、高效 、可再生 的特 点 ，被广泛认为是缓解 能源危机和环境 问题 的 最佳 替代 能源 之 一 。目前 ，工业 上 主要 的制氢 方法 有 纯水 电解法 、水煤气 转化 法 和 轻 油馏 分 的气 化 重整 工 艺等 2 。这 些 方 法 需 要 消耗 大 量 能 量 ，并 没有 彻 底 摆 脱 对 化石燃料 的依赖 ，也 不 能从根本上解 决 能源 和 环 境 污染 问题 ，不是可 持续 的环 境 友 好 的制 氢 技 术 。 新 兴 的生物 制 氢 法 是 一 种 利 用 微 生物 以有 机物 为基 质 产 生 氢 气 的制 氢 方 法 ， 该法 不 仅对 环 境 友好 ， 还 可 以利 用 大 量 取 之 不尽 的可 再 生 资源 l3 。 根据 所 选 用 的微 生物 、产 氢 底 物及 产 氢 机 理 ，生 物 制 氢 可 分 为 : 藻类 和 蓝 细 菌 光解 水产 氢 、 光 合 细 菌 光 降解 有 机 物 产 氢 和 异 养 型厌 氧 细 菌 有 机 物 发 酵 产 氢 等 3 个类 型l4 。其 中 ，厌氧 发酵 制 氢法 在 许 多 方 而 表 现 出优 越 性 : 一 是 发酵 产 氢 菌 种 的产 氢 能力 高于 光 合 产 氢 菌 种 ， 而 且 发酵 产 氢 细 菌 的生 长速 率 一般 比光 解 产 氢 生 物 要 快 ; 二 是 厌 氧 发 酵 制 氢 法 无 需 光 源 ，不 但 可 以 实 现 持 续 稳 定 产 氢 ，而 且 反 应 装 置 的设 计 、操 作 及 管 理 简单 方 便 5 ; 三 是底 物 来 源 广 泛 ，可 生物 降解 的工 农 业 有 机 废 料 、 城 市 生 活 垃 圾 以及 高浓度 有 机 废 水 等 有 机 废 物 都 可 成 为 发 酵 法 生 物 华 东师 范大李 2009 届硕士学位论文 制氢 的原料 ， 不仅 降低 了成本 ， 而且有利于废物资源化 ， 减少有机废物 的污染。 发酵法生物制氢具有处理有机废物 、减少环境污染和能源 回收的双重作用 ， 已经成为国内外学者 的研究热点。 表 1一 1 不 同生物制氢方 法 的优缺 点网 韭些 工ia dvan t ages and di sadvant ages of di ff ereni bi o一 ydr o gen product i on processes 微生物类 型优 点 缺 点 绿 藻 蓝 藻(蓝细菌) 光 发酵细菌 可 以从水 中制取氢 ; 太 阳能转化 率与树 、作物相 比高 10 倍 可 以从水 中制取氢 ; 固氮酶主要 产 生氢气 ; 可 以将大气 中的 n :固 定 可 以利用 多种废弃物 ，如脂肪酸 或其他一 有机废水 ; 可利用光谱较 宽 不 需光照 ，可连续产氢 ; 可利用 多种碳源 ，如淀粉 、纤维二糖 、 木糖等和各种 固体废弃物 ; 可产 生丁酸 、乳酸 、乙酸等有用 的代谢副产物 ; 产氢过程为厌氧 过程 ，有氧气 限制 问题 产氢过程需要光照 ; o :对系统有害 产氢过程 需要光照 :产 生 的气体含 c o z 和 30 % 的 0 2;0 2对 固氮 酶有 抑制 作用 ; 为抑制 h : 的消耗 需将 吸氢 酶 除去 产氢 过程 需要光照 ; 产 生 的氢气 含 c o z; 发酵液会 引起 水污 染 问题 厌氧 发酵 细菌 发酵液在排放前须进 一步处理否则会 引起 水污 染 问题 ; 产 生 的气 体含 c 0 2 1.2.1.1 厌氧 发酵 制氢机理 研 究 (1) 厌氧 发酵微 生物产氢代谢途径 异养型厌氧细菌可 以以碳 水化合物 为底物产氢 。其产氢过程受氢酶催化 ，氢 酶作为在发酵 中所产 生 的还 原物 的最终 电子受体而起 作用 。其产氢 途径 为 : 丙酮 酸脱梭途径 、辅酶 i 的氧化与还 原平衡调节途径 、产氢产 乙酸菌产氢和硫一 氢化 酶催 化 产氢 。 丙酮酸脱梭途径产氢 发酵产氢细菌 的直接产氢过程均发生于丙酮酸脱 梭作用 中 ，可分为两种方 式 : 梭状 芽抱杆菌 型和肠道杆菌型v 。第一种是 丙酮酸 首先在 丙酮酸脱氢 酶 的作用 下 脱梭 ，形成硫 胺 素 焦 磷 酸一 酶 的复合物 ，将 电子转 移 给还 原态 的铁 氧 还 蛋 白，然 后在 氢 酶 的作 用 下 被 重 新氧 化 成氧 化 态 的铁 氧 还 蛋 白，产 生分 子 氢 (图 1一 l) ; 第 二种 是通 过 甲酸裂 解 的途径 产 氢 ， 丙酮 酸脱 梭 后 形 成 的 甲酸 以及 厌氧 环 境 中 c o z 和 h +生成 的 甲酸 ，通 过铁 氧 还 蛋 白和 氢 酶 作用 分 解 为 c o :和 h z(图 1一 2)。 华 东师 范 大学 2009 届 硕 士学位 论 文 口 -一 如 御 ， ，. 一 ， .-价 ， ch 厂众泥oa h s c o a 2 f g h 种. 沙仪. 图 1一 1 丙酮 酸脱 梭产氢过程(梭状 芽抱 杆菌 型 ) f ig .l一 1 t h e o x id ativ e d eeatho x y latio n o f th e k eto 一 aeetic acid to p ro d u ee h y d ro g en h h h h h h h h h h h : : : c c c o : : : : : : : : : 图 1一 2甲酸 裂解 产 氢 过程(肠 道 杆 菌型 ) f ig .l一 2 f rag m en ta tio n o f f or m ie ae id to p ro d u e e h y d ro g en 辅酶 工的氧化 与还原平衡 调节产氢 该途径通过辅酶 i(n a d h 或 n a d 十 )的氧化还 原调节作用产氢 ， 在碳水 化合物 发酵 过程 中 ， 经 e m p 途径产 生 的 n a d h 和 h +可通过 与一 定 比例 的丙酸 、 丁酸 、 乙醇和 乳 酸 等发酵过程 相 偶联 而氧化 为 n a d +，以保 证代 谢过程 中的 n a d h 十 h + / n a d +的平 衡 ，这 样 就 产 生 了丁 酸 型和 乙醉型 发酵 方 式 7 l。为 了避 免 n a d h 和 h +的积 累 而 保 证代 谢 的正 常 进 行 ，发 酵 细 菌 可 以通 过 释 放h : 的方 式 将 过 量 的 n a d h 和 h +氧 化 ， 其 反 应 式 为 :n a d h + h +一n a d + h :， 乙 g 一2 1 .84 kj / m ol 。 虽 然在 标 准 状 况 下 n a d h +h +转 化 为 h : 的过 程 不 能 自发进 行 ，但 在 n a d h 一 铁氧 还 蛋 白和 铁 氧 还 蛋 白氢 酶 作用 下 ， 该反应 是 能够 进 行 的i8 。 产 氢 产 乙酸 菌产氢 产 氢 产 乙酸 细菌 能将 产 酸 发酵 第 一 阶段 产 生 的丙酸 、丁 酸 、戊 酸 、乳 酸 和 乙 醉 等 ，进 一 步 转 化 为 乙酸 ，同时 释放 分 子氢 。这 类 细 菌 可 能 是严 格 厌 氧 菌或 是 兼 性 仄 氧 菌 。目前 ，只 有 少 数 被 分 离 出来 ，例 如 : 沃 尔 夫 互 营 单 胞 菌(匆jl ll ， o j ， hol ， ， 。 。、 w 。 势i) 能通 过 户 氧 化 分解 丁 酸 为 乙酸 和 氢 : 华 东师范大李 2009 届硕士学位论文 c h 3c h zc 玩 c o o h+ zh zo *zc h 3c o o h+ 2h 2( l ) 硫一氢化酶催化产氢 m a 0 等研究发现 ，激烈热球菌 (脚 阳eoccu s furiosus)能在将肤和碳水化合物 等有机物质通过发酵作用产生有机酸和 c o :的同时释放 h z。研究证 明，氢 的产 生是在一种含镍氢化酶催化作用下实现 的，这种酶还能起到硫还原酶 的作用 ，因 此 ，被命名 为硫一 氢化酶 ，以辅酶 11(n a d ph) 作 为直接 电子供体 。发酵过程 中 产生 的过剩还 原力 的处置 ，是通过与铁氧还 蛋 白相祸联 的氧化还 原酶系进行 的 。 这一酶系 中包 括 n a d p一 铁氧还蛋 白氧化还 原酶 、硫一 氢化酶等 。 (2 ) 厌氧产氢发酵类 型 根据末端产物 ，可 以将厌氧暗发酵分 为丁酸 型发酵 、 乙醇 型发酵和 混合酸 发 酵等 。 表 1一 2 与产氢相关 的细菌发酵类型 肠 b . 1一 2 b aeteri al m etab o lie p at h w ay o f h y dro g en p rod u etion 发酵类型主要末端产物代表性微生物 丁酸型发酵t 酸 、乙酸 、h z、 e o :曰d tr id ium，c bu批 ic um ，b u粉ri oibrl o 乙醇型发酵乙醇 、 乙酸 、h z、c o :。口 介诚 um ，r um inococcus 乳 酸 、 乙酸 、 甲酸 、 混合酸 发酵刀 eh erieh ia ， 尸阳 份us ， sh ， sa lm o n ella 乙醇 、h z、c 0 2 ig e ll a 丁酸型 发酵 丁酸型发酵 的末端产物 主要是丁酸 ，还有 乙酸 、h z、c o :和 少量 丙酸等 ，其 中 ，气 相 中 h z含 量 为 30% 一 40% 。多数 碳 水 化 合物 主要 是 以丁 酸 型 发 酵 为主 。该 发酵类 型 中起 主 要 作 用 的微 生物 是梭 状 芽抱 杆 菌(。口 str idi“ m )。 发酵类 型受 到诸 多因素影 响，如 c 加 ，金属 离子和 ph 等 。王 勇【 ” 等研 究 了 c 加 对细菌产氢 发酵类型 的影响 。 结果表 明 ， 反应基质 中的 c /n 比作 为 影 响 因子 ， 是作用 于系统发 酵产氢过程稳 定性 的主要 因素之 一 ; 当发酵基质 内 c fn 比过低 ， 过剩 的 n源