产沼气微生物低温发酵研究分析

产沼气微生物低温发酵技术研究

一、立项依据

(一)项目的目的及意义

1.1沼气推广及应用中的问题

沼气是我国农村目前最有发展前景的可再生能源，对减少农村废弃资源，由于应用较早、范围广、发酵工艺和发酵技术相对成熟以及容易掌握，沼气的开发利用为减少环境污染、降低碳排放，减轻农民燃料负担，保护和改善生态环境起到巨大的作用。在全国各地农村，沼气池的建造正以燎原之势在广大农村发展起来，据统计截至2006年底中国已建成的户用沼气总数已超过2200多万个[1]，2009年底突破3000万个[2]。2008年至2009年底，两批新增沼气项目已累计建成户用沼气280多万户、各类沼气工程8750座[2]。在新的一年，2010年中央一号文件再一次强调“加快推进农村户用沼气、大中型沼气和集中供气工程建设，加强沼气技术创新、维护管理和配套服务。支持农村开发利用新能源，推进农林废弃物资源化、清洁化利用。”

但是，在大量的沼气池建立起来的同时，沼气生产技术尚存在一些问题需要解决，其中最重要的就是低温发酵产气的问题。目前，在我国西部、西北部、东北、华北等地区，冬春季或者高原地区温度常年较低，沼气池产气不足甚至不产气，每年有数月不能正常产气[4，5]，再加上秸秆类原料相对丰富而禽畜排泄物相对不足，碳氮比例不协调，造成沼气池启动时间长、转化率低的问题，进一步影响沼气池的正常产气[3]。低温条件下难以产生沼气这个问题仅影响了农民对发展沼气的信心和积极性，对沼气事业的推广、国家节能减排的推进也带来不利影响。现有应用方案多集中在沼气池保温、加温方向，尝试把低温问题转向中高温度来解决，但这样并不符合生态经济效益，违背了发展沼气作为绿色可再生的初衷。

1.2沼气低温研究的目的以及意义

本项目拟通过筛选研究针对低温厌氧条件下具有水解能力的单菌株以及驯化的低温产甲烷菌群，研究低温沼气发酵过程中微生物间的相互作用，筛选优化出低温产甲烷复合菌群和优化低温沼气发酵参数；拟开发完成一种适用于冬季平均温度10-15℃沼气池的复合菌剂及相关配套实施技术，为减少低温沼气池的启动时间、提高底物转化效率、增加稳定沼气产量提供一套实用性强、成本低廉的

解决方案。

该项目的成功顺利实施，将增强人民群众特别是广大农民对发展沼气的积极性，巩固人们对沼气使用的信心以及对国家一贯惠农政策的支持和理解；项目的科技成果的顺利转化将能促进农村废物利用、节能减排、保护和改善农村生态环境，，对沼气事业的推广、国家节能减排的推进带来积极正面的影响。

(二)国内外技术发展现状与趋势

沼气的产生是由多种不同类型微生物协同作用将有机物的厌氧分解产生甲）的过程[6]，与好氧发酵只需要一种微生物不同[6]，厌氧发酵需要一系列烷（CH

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具有类似与食物链关系的微生物群落来完成。一般认为沼气的产生包括了三个步骤[7]：厌氧水解过程、酸生成过程以及甲烷生的生成，不产甲烷菌为甲烷菌创造适宜的氧化还原条件，而甲烷菌对VFAs和氢气的利用为不产甲烷菌解除了反馈抑制，构成一个复杂系统[11]。而温度则是影响沼气产生量的重要影响因子[9]，而按照不同发酵温度，可分为低温（嗜低温）厌氧发酵（10-20℃）、中温厌氧发酵（20-45℃）、高温（嗜高温）厌氧发酵（45-60℃）[14],现在大部分对于低温发酵沼气的研究集中在5-20℃[7，9，12，13]。

一方面，自然界中大部分甲烷是在低温环境下形成，随着嗜冷产甲烷微生物的分离（最低生长温度-2-5℃）等一系列的研究，已证明嗜冷消化的可行性[25]。另一方面，生态学者认为各种低温生态系统中,低温条件下的甲烷生成由嗜冷产甲烷古菌群落与其他微生物群落的相互营养作用决定[26]：Conrad等[15]认为低温影响CH

产生的主要原因是降低了产H2细菌的活性，而对产甲烷细菌的影响相对

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较少；丁维新等[6]认为在一定温度条件下，提高底物浓度（乙酸或者氢气）有助于增加甲烷的产生；叶发斌[24]进一步提出不产甲烷菌对有机物分解利用的速度决定了产甲烷菌产甲烷的速度，为了进一步提高沼气产量，提高水解菌群对有机物的水解速度，尤其是对纤维素的分解速度，比继续富集产甲烷菌更为重要。因此，通过添加特定低温水解菌群的菌株或者驯化的菌群，可为增加低温下沼气产量提供一个方向[7，8]。

而目前关于低温水解及产酸过程的微生物研究的集中在中温条件下纤维素水解方面，一般水解步骤由严格厌氧的梭菌属（Clostridia）或兼性厌氧的链球菌（Streptococci）等各种各样的土壤细菌[9]来完成，Attar等[17]对沼气池添加经

筛选的纤维素水解放线菌，使沼气产量提高8.4-44%。Geeta等[18]发现甘蔗渣中添加白腐菌（Phanerochaete chrysosporium）在混合牲畜排泄物能明显增加产生的沼气量；马诗淳[5]经过筛选一株分解纤维素细菌并将其添加到其实验室的厌氧降解纤维素产甲烷复合菌系CBC中，在中温条件下具有较高纤维素降解率，甲烷产量提高10%以上。邓宇等[23]登记了一种厌氧降解纤维素产甲烷的复合菌专利，由13种菌组成分为厌氧、兼性厌氧纤维素分解菌、发酵性细菌、互营菌、产甲烷菌五大类群，在中温条件下具有较高纤维素降解率，提高了沼气产量。另外，王艳芹等[21]开发了一种低温产沼气复合菌剂，由荧光假单胞杆菌、枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、环状芽孢杆菌组成，适合以秸秆为主或在温度在10℃正常发酵的沼气池中添加，能使沼气产量大幅提高[27]。但需要指出，前三种细菌为好氧菌或兼性厌氧菌，仅环状芽孢杆菌具有较明显的厌氧纤维素分解能力。除了对单一菌株的研究外，王敦球等[19]针对低温条件（3-17℃）对猪粪产沼气进行菌群复配研究：添加厌氧水解菌群发酵产气量提高28%，而添加厌氧纤维素分解菌群的产气量则只提高24%，而两者均添加则可以提高32%以上，说明了低温发酵过程添加一定量的微生物菌剂对产沼气产量有明显的促进作用，而其对秸秆等纤维素为主的发酵原料则有待进一步研究。

除了水解菌群的低温驯化外，产甲烷菌在低温下的多样性和不稳定性，各菌群之间的协作还需要进一步研究。Sekiguchi等[44]的研究发现低温条件下产甲烷菌的种类较多,并且以只能利用乙酸产CH4的甲烷毛菌(Methanosaetaceae)为主，而利用H2产甲烷的甲烷杆菌属（Methanobacterium），甲烷球菌属（Methanococcus）以及甲烷微菌属（Methanomicrobium）等受到抑制；Nozhevnikova[15，16]研究表明，在牛粪中添加了经1年半驯化的低温产甲烷菌群，在15℃下甲烷产量增加30%，6℃下更增加超过10倍，但随着温度上升至中温后两者基本没有差别，其认为经过长时间低温筛选出嗜冷菌群或者令普通的中温菌群产生低温适应性，同时，他也指出这个菌群对温度上升非常敏感，容易失去低温下保持的平衡，并且让嗜中温或高温菌群迅速占据生长优势，低温适应性也随之减弱，因此从中温转入低温发酵时，有必要额外添加冷适应菌群加快菌群调整。

目前研究添加经低温驯化的单水解菌株或菌群能增加低温下沼气的产量，但