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水葫芦于20世纪30年代传入我国,近年来由于流域水体的富营养化使其蔓延速度极快。它侵占水道,干扰水生生态系统平衡,影响当地的经济生产,成为我国水域的一大公害。
由于水葫芦具有生长快,易繁殖,抵抗性强等特点,且水葫芦含有大量纤维素和蛋白质,只要合理防治和利用,就可以将它变废为宝。利用水葫芦厌氧制能有很好的现实意义,既可以解决水葫芦泛滥引起的环境问题,又可以生产出清洁能源甲烷,符合可持续发展的思路,具有十分良好的前景。当前,针对水葫芦厌氧制能的两相厌氧发酵研究较多,而相对运行成本低,操作简单的水葫芦单相厌氧发酵工艺由于存在水葫芦降解不充分,产气率较低等问题而未受重视。这些问题的主要原因是由于缺乏能够高效降解水葫芦的优良菌株。因此,筛选出一株能够应用于提高水葫芦厌氧制能效率,且对水葫芦降解效果较好的菌株十分重要。
本文通过在腐烂的水葫芦中利用刚果红平板染色法分离筛选具有产纤维素酶活性的4株菌株,通过考察其产纤维素酶活力及降解水葫芦的水平,从而筛选出一株产纤维素酶活较高同时能高效降解水葫芦的优良菌株D1。在降解水葫芦的过程中,CMC酶活最高为1.854IU,滤纸酶活FPA最高为1.203IU。还原糖浓度于10d达到最高为2.263mg/mL,2周左右水葫芦的降解率达到39.13%。利用传统分类学方法、电子显微镜观察、18SrDNA和序列的测定以及系统发育分析对菌株D1进行分类鉴定,并对其产酶性能进行了初步研究,各种指标鉴定其为青霉属真菌斜卧青霉(penicillium decumbens).研究发现菌株D1在最适条件下发酵所产粗酶液的酶活最适反应pH值为5.0左右;最适反应温度为50℃左右,温度达到70℃以上时,酶将基本失去活性;金属离子Fe2+,C02+,Mg+能较大的激活酶活性,Cu2+,Ag+,Hg+明显的抑制了酶液活性。D1菌株的产酶条件进行优化表明:在250mL三角瓶中装水葫芦培养基75mL(30%),按5%接种,在30℃、摇床转速n=150r·min-1条件下,发酵产酶,CMCase可达到2.627IU,FPA为1.826IU,在同类菌株中达到国内先进水平。
将优化后的条件应用于实验室控制条件下的小试和10L放大实验,对D1菌株应用于水葫芦产沼气的效果进行研究和验证。研究数据表明,在10L的厌氧发酵器内,100g的水葫芦与5mL含有107孢子/mL的D菌株的菌悬液预处理48h后,与厌氧活性污泥在30℃厌氧发酵60d左右,产气效率明显优于未经预处理的水葫芦,达到155L/kg,甲烷含量为63.5%。达到国内比较先进的水葫芦两相厌氧发酵工艺的产气水平,同时单相厌氧发酵工艺的成本较低,操作简单,具有很好的实际运用价值。