中国沼气学会学术年会暨中德沼气合作论坛

聚焦乡村振兴战略、高质量发展和碳达峰、碳中和目标
2021年10月20-21日 | 江苏 · 南京
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年会专家观点 | 俞汉青:纤维素类废弃物的瘤胃人工仿生处理技术

作者: 发布时间:12/02/2021 来源:

文章来源:中国沼气学会


【编者按】2021年10月20-21日,2021年中国沼气学会学术年会暨中德沼气合作论坛在南京举行。近500位沼气领域的专家学者及企业界同仁齐聚一堂,共话新时代沼气行业新发展。与会代表在研讨中一致认为,沼气技术及其应用将会成为有机废弃物资源化利用、生态环境保护和可再生能源发展的主战场,沼气科研教学和产业队伍将会成为实现乡村振兴战略和“双碳”战略目标的主力军。


中国科学技术大学、中国科学院城市污染物转化重点实验室俞汉青教授应邀出席年会并作为主讲嘉宾进行了“纤维素类废弃物的瘤胃人工仿生处理技术”的主题分享,包括瘤胃微生物的底物降解途径、瘤胃接种反应器运行的优化、瘤胃微生物对纤维素废弃物的降解效能,同时也为纤维素废弃物瘤胃降解技术的升级提出了很好的建议。



中国科学技术大学化学系  俞汉青 教授



一、瘤胃人工仿生处理技术概述


2001年科技部水专项863项目,我跟着专家组调研,当时全国开启了用生态技术来修复水环境处理的热潮。在这个过程中会产生非常多的包括匍匐苔草等水生植物,它们对氮磷的去除效果比较好,但是后续处理仍然是一个问题。还有一类就是农业废弃物,其表面含有木质素、纤维素和半纤维素,这些木质素、纤维素和半纤维素存在一个共同的问题,常规的微生物难以对它们进行有效生物降解,需要研发其他的方法。



植物细胞结构示意图


纤维素类废弃物可以采用化学方法,比如气化、液化与热解预处理,我们优先使用厌氧消化的方法,因为它条件温和、工艺简单和成分较低。纤维素类废弃物的处理技术和其他的废弃物相比在厌氧消化的方法上没有本质上的不同,就是我们常说的四阶段法。如果常规的采用二沉池污泥来降解纤维素,降解效率比较低,速度比较慢。德国有两个课题组在做这个课题的尝试,我们想也能够用人工瘤胃仿生的方式处理纤维素类的废弃物,瘤胃有三大特点:复杂、多样和非致病。最核心的特点就是高效降解纤维素类物质。瘤胃微生物基本的组成包括:细菌、真菌和原生动物。反刍动物的瘤胃在自然界自然界对纤维素和半纤维素降解速率最快的反应器。牛的消化系统是比较复杂的,吃得草经过食道进入网胃、皱胃、瓣胃、瘤胃与直肠,不管结构如何功能还是不错的。



瘤胃系统


亨盖特1000的项目把全球瘤胃微生物做了非常详细的调查,反刍动物包括牛、绵羊、山羊、鹿、骆驼,左半边的饼图是细菌,右边是古菌、全世界不同的地区反刍动物的种类、数量是有差异的。



二、瘤胃接种反应器运行的优化



人工瘤胃仿生反应器的运行


瘤胃微生物降解纤维素的降解途径与厌氧系统非常类似,这中间稍有差异,中间物质可以合成蛋白,转化为微生物蛋白并被动物消化。我们与安徽农业大学开展了合作研究,在羊瘤胃这个地方用导管将瘤胃液吸出来以后装到一个小瓶子里面,研发以瘤胃为核心的生物转化系统降解生物质的技术,考察瘤胃微生物接种到反应器之后和转化过程中代谢活性的变化。然后又做了放大试验,水草晒干后打成浆料,用蠕动泵打入UASB反应器。设定培养条件为温度为37℃,每5min搅拌1min,70-80rmp/min,模拟瘤胃的环境。试验结果显示瘤胃微生物能够持续降解小麦秸秆,具有较高的纤维素(97.6%)、半纤维素(95.8%)和木质素(42.4%)降解率和VFA产率(0.484 g COD/g VS),瘤胃微生物对纤维素具有不错的降解效果。



三、瘤胃微生物对纤维素废弃物的降解效能



瘤胃微生物对纤维素废弃物的降解:效能和持久性


瘤胃微生物的菌群分布特征及纤维素类生物质高效降解的主要功能菌属的研究,羊瘤胃液反应器中主要真菌包括Ascomycota、Basidiomycota、Neocallimastigomycota、Eukaryota、Chytridiomycota和Mucoromycota门。羊瘤胃反应器中丰度最高的细菌主要是Firmicutes、Bacteroidetes、Bacteria、Patescibacteria、Planctomycetes和Proteobacteria门。在厌氧瘤胃发酵过程中,不同基质的添加使得氢营养型Methanosphaera丰度增加,但古菌的多样性和丰度降低。单一基质和混合基质对于瘤胃细菌和真菌的影响比对古菌的影响更大。研究结果阐明了纤维素类生物质在瘤胃微生物作用下的持续降解途径,同时判明混合基质强化瘤胃微生物降解纤维素类生物质的机理,为仿瘤胃厌氧发酵体系的构建提供了理论基础。



瘤胃微生物对纤维素废弃物的降解效能-微生物菌群结


仿牛和羊瘤胃厌氧反应器的降解性能比较研究中发现半连续式仿牛瘤胃系统比批式仿牛瘤胃系统具有更高的VFAs产率。同时,VFAs外排有利于维持瘤胃仿生反应器系统的碱平衡。验证了牛瘤胃微生物比羊瘤胃微生物更优的纤维素类生物质水解能力。仿瘤胃厌氧反应器中,牛瘤胃微生物比羊瘤胃微生物能分泌更多纤维素类降解酶,具备更强水解能力。牛粪添加到瘤胃反应器可实现原位生物强化,模型能够很好地预测和模拟产物的形成规律。



仿牛和羊瘤胃厌氧反应器的降解性能比较


在水生植物的预处理研究中,我们和中科院陈洪章老师合作,采用气爆和微波预处理技术。它们能改变水生植物厌氧转化的产物生成,促进水生植物厌氧转化的产率和速率。研究表明:(1)汽爆和微波技术都可以破坏半纤维素和木质素(2)微波可破坏纤维结晶度,汽爆效果不明显(3)微波清除表面的蜡质层和木质素(4)汽爆破坏植物结构,增加比表面积。



水生植物的预处理机制


相对于光学显微镜,软X射线显微术有更高的分辨率,能够观测到样品内部的精细结构。相对于电子显微镜,软X射线显微术能观测较厚的生物样品,可以保持样品在含水状态以及选择使用合适的软X射线波长而增加成像的衬度,因而可以避免样品的脱水和染色。秸秆原样存在木质素颗粒物,6天后颗粒减少,分布不均匀,15天后直径1微米左右的孔洞,团状,疏松颗粒物。利用AFM直接观察到了微生物对木质素的降解作用,微生物对秸秆表面的木质素有降解作用,使部分区域暴露出大面积的纤维素。木质素和蜡质层被微生物剥离、脱落,纤维素暴露微生物作用途径为穿孔。降解过程中秸秆切片变薄,空隙增多,显微成像观察到了微生物选择性降解木质素。X射线显微镜具有较高的空间分辨率,且X射线穿透深度大,无需复杂的制样和真空环境,X射线成像衬度丰富且具有三维成像能力等突出优点。我们采用高分辨X射线三维成像技术拍电影的方式清晰地观察纤维管束的分布特征,秸秆生物降解的CLSM和Micro-CT三维成像。



秸秆生物降解的CLSM和Micro-CT三维成像



四、纤维素废弃物瘤胃降解技术的升级


我们提出一个基于瘤胃微生物的纤维素废弃物降解工艺,废弃物经过机械预处理、酶预处理、化学预处理、以瘤胃微生物为基质的发酵的过程,既可以生产VFAs,也可产生甲烷,最后去除一些氮。反刍动物中瘤胃微生物对纤维素类物质的降解效果是不错的,如果我们真的用,完全源自于自然而不加以改进的话效果还是有限的,所以我们利用分子生物学的技术对瘤胃微生物群落进行解耦,把中间一些关键的功能微生物进行分离,分离之后进行基因网络解析和遗传资源挖掘,利用合成生物学的方法对基因线路进行合成,构建瘤胃微生物、瘤胃微生物群落、在这个基础上合成瘤胃微生物组,对现有的纤维素类的废弃物的降解有积极作用。




整理:刘越

编辑:刘秋琳

审核:李景明