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水热炭强化秸秆厌氧发酵产甲烷效能及作用机制

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中国环境科学 2024年第8期44卷 4415-4424页

作者：耿涛赵立欣姚宗路申瑞霞于佳动罗娟中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室北京100081

以玉米秸秆和水稻秸秆为原料在不同温度下制备水热炭,观察原料种类与制备温度对水热炭理化特性的影响并进一步探究水热炭添加对秸秆厌氧发酵产甲烷的强化作用.研究发现,相同温度条件下,玉米秸秆的碳化程度较棉花秸秆更高;同一原料制备... 详细信息

以玉米秸秆和水稻秸秆为原料在不同温度下制备水热炭,观察原料种类与制备温度对水热炭理化特性的影响并进一步探究水热炭添加对秸秆厌氧发酵产甲烷的强化作用.研究发现,相同温度条件下,玉米秸秆的碳化程度较棉花秸秆更高;同一原料制备的水热炭,表面O-H、C-O含氧官能团丰度随温度升高而降低,但高温有利于材料碳化程度、表面孔隙复杂度的提高与表面碳微球构筑.将不同水热炭分别添加到秸秆厌氧消化系统中,发现水热炭对秸秆厌氧消化产甲烷具有明显强化效果.其中,Y1对秸秆厌氧发酵产甲烷强化效果最佳,累积甲烷产量与最大产甲烷速率较对照组分别提高13.74%与12.06%,发酵过程中VFA降解速度较对照组明显加快且体系应对pH值变化的稳定性增强.微生物群落结构研究发现水热炭添加使秸秆厌氧发酵体系中Firmicutes、Synergistota等产酸功能菌与Methanosarcina、Methanospirillum等氢营养型产甲烷菌得到富集,这可能与水热炭表面丰富的含氧官能团有关.

关键词：农业废弃物秸秆水热炭厌氧发酵产甲烷

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双碳背景下黑龙江省农村生活用能研究

农业机械学报 2022年第3期53卷 377-383页

作者：申瑞霞姚宗路赵立欣霍丽丽罗娟中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081

针对黑龙江省农村生活用能高、结构不合理及秸秆能源需求大等问题,开展了黑龙江省农村生活用能研究,并对2030年、2060年黑龙江省的农村能源进行了资源量、消费量、能源结构以及温室气体减排贡献等相关预测分析。结果表明:目前黑龙江省... 详细信息

针对黑龙江省农村生活用能高、结构不合理及秸秆能源需求大等问题,开展了黑龙江省农村生活用能研究,并对2030年、2060年黑龙江省的农村能源进行了资源量、消费量、能源结构以及温室气体减排贡献等相关预测分析。结果表明:目前黑龙江省农村生活用能总量稳定在0.220亿t标煤,农村生活用能结构以秸秆、煤炭为主,特别是秸秆使用占比显著高于全国水平;从减排角度测算,秸秆散烧、生物质成型燃料的使用对温室气体减排贡献分别为0.014亿t CO_(2)e、0.013亿t CO_(2)e。经预测,2030年、2060年黑龙江省农村居民生活能源消费总量分别为0.059亿t标煤、0.022亿t标煤;可收集秸秆的资源量分别为0.928亿t、1.256亿t。在减排背景下,满足秸秆还田需求和秸秆饲料化需求的基础上,预测2030年、2060年黑龙江省可用于秸秆能源化的最大潜能分别为0.235亿t、0.317亿t,折合标煤分别为0.045亿t标煤、0.061亿t标煤,分别占2030年、2060年黑龙江省农村居民生活能源消费总量的5.183%、18.529%。此外,2030年、2060年秸秆能源化的温室气体减排量贡献分别为0.247亿t CO_(2)e、0.333亿t CO_(2)e。

关键词：黑龙江农村能源秸秆能源结构预测碳达峰碳中和

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深度共熔溶剂预处理木质纤维素研究进展

科学通报 2022年第23期67卷 2736-2748页

作者：侯昕彤李再兴姚宗路赵立欣罗娟申瑞霞河北科技大学环境科学与工程学院石家庄050018 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081

深度共熔溶剂(deep eutectic solvent,DES)是两种或多种化合物的低熔点混合物,对不同类型的木质纤维素生物质均表现出良好的预处理性能.由于具有绿色环保、成本低廉、可设计性以及强生物相容性等优势,DES已广泛应用于食品、中药成分提... 详细信息

深度共熔溶剂(deep eutectic solvent,DES)是两种或多种化合物的低熔点混合物,对不同类型的木质纤维素生物质均表现出良好的预处理性能.由于具有绿色环保、成本低廉、可设计性以及强生物相容性等优势,DES已广泛应用于食品、中药成分提取等诸多领域.DES预处理可以破坏木质纤维素原料中的氢键,断裂木质素-碳水化合物的复合体结构,促使木质素和半纤维素组分溶出或水解,从而增加纤维素的相对含量.该研究从DES预处理作用机理出发,分别对纤维素、木质素和半纤维素的不同作用过程进行了详细综述,综合分析了DES预处理技术的主要影响因素,系统综述了DES对木质类、秸秆类两类生物质预处理的研究进展,并指出应用趋势以及未来研究建议,为DES预处理木质纤维素生物质的研究与应用提供了思路和参考.

关键词：木质纤维素深度共熔溶剂作用机理预处理

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水热炭特性及强化厌氧发酵潜力研究进展

中国环境科学 2023年第10期43卷 5270-5280页

作者：耿涛赵立欣姚宗路申瑞霞于佳动罗娟中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室北京100081

厌氧发酵技术可以对作物秸秆,畜禽粪便,市政污泥等有机废弃物进行清洁转化,生成的沼气,沼渣和沼液在能源,农业,环保等领域有极大的应用价值.但目前厌氧发酵技术仍存在停滞期长,发酵过程中微生物活性受氨氮和有机酸等代谢产物与微塑料,... 详细信息

厌氧发酵技术可以对作物秸秆,畜禽粪便,市政污泥等有机废弃物进行清洁转化,生成的沼气,沼渣和沼液在能源,农业,环保等领域有极大的应用价值.但目前厌氧发酵技术仍存在停滞期长,发酵过程中微生物活性受氨氮和有机酸等代谢产物与微塑料,酚类等有毒物质抑制,沼气中甲烷含量低等问题.水热炭是生物质在高温密闭环境以及亚临界水的作用下发生热化学反应得到的固体产物,具有丰富的孔隙结构和表面含氧官能团,是一种新兴的多功能炭基材料.厌氧发酵体系中适量添加水热炭能够有效缩短停滞期,缓解不同物质的抑制效应,促进微生物种间电子传递,增强甲烷生成等,具有综合的强化效果.对水热炭理化特性以及水热炭强化厌氧发酵的作用方式与机理进行了解,有利于进一步开展水热炭强化厌氧发酵以及农业废弃物高效厌氧处理的研究与应用.

关键词：农业废弃物生物质厌氧发酵水热炭产甲烷

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发展数量推理能力:新加坡模型

小学数学教师 2023年第6期 28-32页

作者：申瑞霞黄兴丰上海师范大学教育学院上海师范大学国际与比较教育研究院

数学不仅是一个研究领域,还是一种思考和认识世界的重要方式。运用数学思考和认识世界的过程,实质上是依靠数学符号建立模型来描述世界的过程。在这个过程中,人们不仅要分析数量关系,还要分析几何形状和空间关系。诸如此类的分析,帮助... 详细信息

数学不仅是一个研究领域,还是一种思考和认识世界的重要方式。运用数学思考和认识世界的过程,实质上是依靠数学符号建立模型来描述世界的过程。在这个过程中,人们不仅要分析数量关系,还要分析几何形状和空间关系。诸如此类的分析,帮助人们作出合理推断,锻炼推理能力。

关键词：数学符号几何形状推理能力运用数学分析数量关系合理推断新加坡锻炼

木质纤维类废弃物定向生物转化乳酸、乙酸研究进展

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化工进展 2023年第5期42卷 2691-2701页

作者：黄越赵立欣姚宗路于佳动李再兴申瑞霞安柯萌黄亚丽河北科技大学环境科学与工程学院河北石家庄050018 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室北京100081 北京石油化工学院环境工程系北京102617

依托厌氧发酵技术处理秸秆和牛粪等木质纤维类废弃物,是资源循环利用的重要方式之一。乳酸和乙酸是厌氧发酵的重要中间产物,是生产沼气、中链脂肪酸等能源化工产品的重要前体物质,但定向生物转化协同生产效率不高、对木质纤维类废弃物... 详细信息

依托厌氧发酵技术处理秸秆和牛粪等木质纤维类废弃物,是资源循环利用的重要方式之一。乳酸和乙酸是厌氧发酵的重要中间产物,是生产沼气、中链脂肪酸等能源化工产品的重要前体物质,但定向生物转化协同生产效率不高、对木质纤维类废弃物协同产乳酸、乙酸机制等问题有待深入探索。本文基于对产酸代谢途径机理的分析,梳理了同步发酵和分步发酵协同产乳酸、乙酸特性,归纳了影响生物转化产酸效率的关键因素,发现在较高含固率15%~20%、接种20%~40%的活性物质和适宜的过程参数[pH为5.0左右、中温和有机负荷5~10kgVS/(m^(3)·d)]下,木质纤维类废弃物具有良好的协同产酸效果。进一步探明物化和生物强化耦合手段对木质纤维素降解和目标产物的促进效应,为开发生物转化乳酸、乙酸协同生产关键技术以及促进秸秆等木质纤维类废弃物高值转化利用提供理论依据。

关键词：乳酸乙酸厌氧发酵协同产酸中链脂肪酸木质纤维类废弃物

基于FISH技术的秸秆干发酵中微生物动态变化的研究

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基于FISH技术的秸秆干发酵中微生物动态变化的研究

作者：申瑞霞山东理工大学

学位级别：硕士

沼气发酵是有机物在无氧环境下经微生物分解,将其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳的生物化学过程。这一过程涉及多种微生物相互协调,联合交替,极为复杂。在不同发酵阶段,微生物的种类、数量和代谢活性均有变化,各微生物种群的代... 详细信息

沼气发酵是有机物在无氧环境下经微生物分解,将其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳的生物化学过程。这一过程涉及多种微生物相互协调,联合交替,极为复杂。在不同发酵阶段,微生物的种类、数量和代谢活性均有变化,各微生物种群的代谢及相互作用直接影响沼气发酵的效率。本文研究了秸秆沼气干发酵各阶段微生物群落结构及其动态变化规律,以及发酵温度对干发酵过程的影响,探讨了微生物群落与基质特性之间的关系,旨在为优化秸秆沼气干发酵工艺,提高产气效率提供理论依据。1.采用物理、化学以及酶处理的细胞破壁方法,提取秸秆沼气干发酵基质中微生物总DNA,对其纯度和得率进行了比较。结果表明：采用冻融处理和酶处理相结合的破壁处理方法最为有效,DNA纯度(A260／A280)和得率分别达到1.392±0.027和0.143±0.016mg/g;DNA纯化试剂盒纯化DNA粗提液,比吸附剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纯化的纯度提高了34.6%,但A260／A280仍在1.8以下,未能达到利用PCR分析法对微生物进行定量的要求,因此不能作为本实验中微生物定量测定的有效方法。2.优化了荧光原位杂交技术(FISH)定量测定秸秆厌氧干发酵基质中微生物的样品预处理条件,并在最优条件下做了验证性实验。结果表明：使用无水乙醇作为清洗液,FISH样品的荧光信号强度和丰度比用PBS清洗液(磷酸缓冲盐溶液)时有显著提高;样品预处理过程中加无菌玻璃珠震荡能提高微生物的分散度,从而提高FISH技术对秸秆厌氧发酵基质中微生物定量的准确性;采用离心转速为13000r/min时,微生物菌体收集率提高,而且还能保证完好的细胞形态,为后续的FISH杂交奠定基础。3.以多聚甲醛固定时间、热固定时间、乙醇脱水时间、杂交温度、杂交时间为试验因素进行二次回归正交旋转组合试验,对FISH定量检测玉米秸秆厌氧干发酵基料中微生物的最佳杂交条件进行了优化。结果表明：最佳的杂交试验条件为多聚甲醛固定时间18h、热固定时间15min、乙醇脱水时间3min、杂交温度44℃、杂交时间1.5h。在该试验条件下观察的荧光显微图像菌量最多,荧光信号最为强烈,且菌体分辨清晰。4.研究了温度对玉米秸秆厌氧干发酵基质特性及微生物群落结构变化规律的影响,探讨了基质特性与微生物群落结构之间的关系。结果表明：37℃和55℃条件下沼气发酵启动的均较快,乙酸化和甲烷化很快达到平衡,整个过程未出现明显的酸积累,反应体系的pH值和碱度变化较平稳,pH始终维持在适宜甲烷化菌生长的范围;20℃下由于甲烷化菌生长代谢缓慢,不能及时将产生的有机酸转化成甲烷,造成了一定的酸积累,而过度的酸积累又进一步抑制了甲烷化菌的生长繁殖和代谢,导致整个发酵过程中CH4含量始终处于较低水平;37℃和55℃下的微生物群落结构有明显差异,37℃乙酸甲烷菌数量变化较明显,且远远高于氢甲烷菌的数量,而55℃下氢甲烷化菌的数量占优势,说明37℃和55℃下产生甲烷的主要菌群分别是乙酸甲烷菌和氢甲烷化菌;在发酵前期,各类甲烷化菌的数量变化不明显,起主导作用的微生物是产酸型的细菌,它们将大分子有机物质快速分解成小分子酸,再将小分子酸进一步分解成丙酸、乙酸、丁酸;低温(20℃)、中温(37℃)和高温(55℃)发酵时,甲烷化菌的数量分别在第24天、第12天和第6天达到最大。由此可见随着温度的升高可使发酵周期缩短,提前达到峰值,大大提高了发酵效率和产气率。

关键词：秸秆厌氧干发酵 FISH技术微生物温度

基于透气钢的微流控芯片气动吸脱模系统实验研究

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基于透气钢的微流控芯片气动吸脱模系统实验研究

作者：申瑞霞中南大学

学位级别：硕士

本文针对现有微流控芯片注射成型技术在自动无损脱模、芯片键合等方面存在的不足,无法发挥微注射成型工艺成型周期短、自动化程度高、可成型复杂3D结构及实现集成制造的特点,研究微流控芯片模内键合技术中的自动无损脱模技术,从模内键... 详细信息

本文针对现有微流控芯片注射成型技术在自动无损脱模、芯片键合等方面存在的不足,无法发挥微注射成型工艺成型周期短、自动化程度高、可成型复杂3D结构及实现集成制造的特点,研究微流控芯片模内键合技术中的自动无损脱模技术,从模内键合技术的特殊要求出发,将多孔材料——透气钢引入微流控芯片的脱模过程,提出了利用透气钢实现微流控芯片气动吸脱模的新方法,从表面粗糙度和吸脱模力两方面论证了该方法的可行性,为探索一种新的微注射成型脱模方法提供数据和理论支持。针对微流控芯片吸脱模系统的要求,通过比较分析各种多孔材料的性能,确定将透气钢引入到微流控芯片的脱模过程中,研究其机械加工方法和表面粗糙度参量,完成其作为脱模介质的初步可行性分析;在此基础上按照微流控芯片的实际形状、尺寸和结构,自行研制了一个可移植到模内的微流控芯片吸脱模系统实验装置,为吸脱模力和透气钢透过性能的测试提供了一个实验平台。实验研究了引入透气钢后微流控芯片吸脱模系统所能达到的吸脱模力,得到了压力、真空度随时间的变化规律,实验结果表明,透气钢自身的透气性能可使系统较短的时间内达到芯片所需的理论吸脱模力,该方法能够实现微流控芯片的吸脱模功能;减小系统真空度和增大系统压力可使达到理论所需吸脱模力的时间缩短,因此从减小成型周期的角度考虑推荐采用较低的真空度和较高的压力。采用定压差测流量的方法实验研究了考虑气体可压缩性时透气钢的透过性能,结果显示,随着压力的增大,气体在透气钢中将发生从Darcy流动到非Darcy流动的转变,分别对这两种流动的透过系数和惯性系数进行分析计算,得到了这两种状态的流动方程,揭示了不同流体流动状态下透气钢中气体的流动规律。

关键词：微流控芯片模内键合气动吸脱模系统透气钢透过性能

秸秆沼气干发酵基质中微生物DNA提取方法筛选

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环境科学与技术 2013年第1期36卷 40-43页

作者：申瑞霞朱继英山东理工大学农业工程与食品科学学院山东淄博255049

比较了4种处理方法对从秸秆沼气干发酵基质中提取微生物总DNA纯度和产量的影响,以及添加PVP和使用试剂盒对DNA粗提液的纯化效果,试图寻找一种适用于从秸秆沼气干发酵基质中提取微生物总DNA的有效方法。结果表明：采用冻融处理和酶处理... 详细信息

比较了4种处理方法对从秸秆沼气干发酵基质中提取微生物总DNA纯度和产量的影响,以及添加PVP和使用试剂盒对DNA粗提液的纯化效果,试图寻找一种适用于从秸秆沼气干发酵基质中提取微生物总DNA的有效方法。结果表明：采用冻融处理和酶处理相结合的方法得到DNA提取液的A260/A230和A260/A280相对较高,与其它3种方法有显著性差异（P≤0.05）;提取液中添加PVP对去除DNA粗提液中的腐殖酸有一定效果,但添加量1%~6%的效果差异不显著;经细菌DNA纯化试剂盒纯化后A260/A230和A260/A280分别达到（1.223±0.156）和（1.737±0.120）。对吸附了磷酸盐的氢氧化钽进行解吸,当pH=12时解吸率为52.45%。研究结果表明,氢氧化钽能够有效地去除水溶液中磷酸盐的吸附剂。

关键词：秸秆干发酵微生物 DNA