微量元素和無機(jī)酸根陰離子對厭氧消化的影響

劉萌萌，孫 辰，侯 芳，汪密密，苗 洋，胡士濤，謝 云，王欣欣

(嘉興學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，秸稈和畜禽糞等農(nóng)業(yè)廢棄物對環(huán)境造成的污染問題日益突出。如果不能及時(shí)有效處理，這些廢棄物不僅會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成破壞，而且也造成其中可降解有機(jī)物資源的浪費(fèi)。利用厭氧消化技術(shù)對農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行處理，既有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，又可產(chǎn)生清潔能源沼氣，具有廣闊的應(yīng)用前景。

厭氧消化是一個(gè)多種微生物的參與的生物化學(xué)反應(yīng)過程，其中的代謝途徑具有多樣性和可調(diào)控性，微生物之間存在互利共生、種間競爭等多種相互作用，從而使厭氧消化體系形成一個(gè)有機(jī)的生態(tài)系統(tǒng)[1]。厭氧發(fā)酵過程通常被人為分為水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四個(gè)階段。每個(gè)階段中，不同類型厭氧微生物利用上一階段的產(chǎn)物作為下一階段的底物進(jìn)行生化反應(yīng)。發(fā)酵過程的穩(wěn)定是不同種群的微生物在各自代謝最優(yōu)條件下協(xié)同作用的結(jié)果[2]。在穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧消化體系中，各類有機(jī)物(畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、餐廚垃圾、生活污水等)作為微生物的營養(yǎng)源，經(jīng)過逐級(jí)微生物食物鏈的新陳代謝功能，最終產(chǎn)生末端產(chǎn)物沼氣和沼肥[3]。

目前，厭氧消化過程中容易出現(xiàn)酸化抑制產(chǎn)氣的問題，尤其是在高負(fù)荷厭氧消化條件下，水解與產(chǎn)甲烷兩個(gè)過程不能較好地相適應(yīng)，易引起揮發(fā)性有機(jī)酸積累，使產(chǎn)甲烷過程受到抑制，最終導(dǎo)致厭氧消化生物系統(tǒng)失穩(wěn)。因此，大部分沼氣工程選擇在低負(fù)荷條件下運(yùn)行。這樣操作，雖然可以保證厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但造成發(fā)酵效率低下和反應(yīng)器體積資源的浪費(fèi)，使工程系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)效益不夠理想[4]。隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，工程師提出各種解決辦法，其中之一就是添加微量元素或提高微量金屬元素的生物有效度，通過增強(qiáng)產(chǎn)甲烷階段的酶活性，調(diào)節(jié)厭氧系統(tǒng)中微生物種群的生理活動(dòng)，來解決沼氣工程運(yùn)行中發(fā)生率很高的酸化問題。

1 厭氧消化過程的影響因子

適宜的生存條件是厭氧消化微生物維護(hù)發(fā)酵體系的生態(tài)平衡的基礎(chǔ)，這些條件包括溫度、酸堿度、氧化還原勢、傳熱傳質(zhì)條件及其它環(huán)境因素。將眾多的影響因素進(jìn)行歸類，可分為三大類，即原料和接種物特性、外部環(huán)境影響因素及發(fā)酵中間產(chǎn)物。

原料種類和接種物來源是影響厭氧消化過程的基礎(chǔ)因素，原料和接種物的C/N比、宏量營養(yǎng)元素濃度、微量金屬元素濃度、原生微生物種類和數(shù)量、料液黏度等因素均是影響發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)行的重要參數(shù)。外部環(huán)境影響因素包括發(fā)酵溫度、水力停留時(shí)間、有機(jī)符合率、pH值、發(fā)酵液濃度、攪拌速率和方式等。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物如揮發(fā)性脂肪酸、氨態(tài)氮等會(huì)對消化系統(tǒng)產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用[4]。在調(diào)節(jié)發(fā)酵C/N比、有機(jī)負(fù)荷等工藝參數(shù)的傳統(tǒng)調(diào)控方式之外，添加外源微量元素或開發(fā)內(nèi)源微量元素的生物利用效率，從而促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的抗逆能力，是新興的研究熱點(diǎn)。

2 微量元素在厭氧消化過程中的作用

厭氧消化體系中，微量元素的作用在于激活微生物酶活性，增加微生物種群和代謝途徑的生物多樣性，增強(qiáng)發(fā)酵體系中微生物種群間的協(xié)調(diào)和穩(wěn)定，從而改善發(fā)酵酸化問題，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵體系平穩(wěn)運(yùn)行和高效產(chǎn)氣。微量元素不足將導(dǎo)致微生物菌群營養(yǎng)不足，因此發(fā)生有機(jī)物降解不完全、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。微量元素投加技術(shù)是在可控條件下對微生物進(jìn)行原位選擇，促進(jìn)形成生態(tài)結(jié)構(gòu)合理的微生物群落。對于采取了正常操作條件，但發(fā)酵過程運(yùn)行仍不穩(wěn)定的厭氧消化體系，微量元素含量的不足及其生物有效性的降低是首要應(yīng)考慮的影響因素[5]。

2.1 微量元素的種類

微量元素是指在厭氧消化體系中存在量或需求量很少，但對厭氧消化生化反應(yīng)具有不可替代的重要作用的元素。微量元素主要包括Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Mo、W元素等。它們對厭氧消化生化反應(yīng)所起的作用各不相同，主要是作為厭氧發(fā)酵微生物酶系統(tǒng)中不同的輔酶、輔基、輔因子的組成成分，對厭氧發(fā)酵的產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷等多階段反應(yīng)過程起調(diào)控作用。

2.2 微量元素的功能

微量元素促進(jìn)厭氧消化體系形成穩(wěn)態(tài)、抗酸化、提高有機(jī)物降解率和產(chǎn)氣效率的根本原因在于其生理功能。Fe是產(chǎn)甲烷菌體中含量最豐富的微量金屬元素，不僅能合成和激活多種生物酶，還可以沉淀體系中多余的硫化物，降低硫化物的毒性，此外，F(xiàn)e可以刺激胞外聚合物的分泌，促進(jìn)微量元素的生物吸收和利用。Co是咕啉類物質(zhì)的組成成分，存在于特定的酶中，如一氧化碳脫氫酶。該酶是產(chǎn)乙酸過程中催化氧化還原反應(yīng)。Ni參與合成產(chǎn)甲烷菌和丙酸氧化菌中的一氧化碳脫氫酶，是甲基輔酶還原酶重要組成成分，對硫酸鹽還原菌具有重要作用。H2還原CO2合成甲烷也需要Ni。Cu是超氧化物歧化酶和氫化酶的重要成分，參與催化氫氣的氧化或者質(zhì)子的還原。Zn在多種產(chǎn)甲烷菌中參與合成甲酸鹽脫氫酶、超氧化物歧化酶、氫化酶等。Se、Mo、W參與合成甲酸鹽脫氫酶。Mo對硫酸鹽還原菌的代謝形成拮抗作用，制約硫化物合成。W能促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌利用CO2和H2合成甲烷[6]。Fe、Cu和Mo元素是硝酸鹽、亞硝酸鹽還原酶的組成成分，有利于氨氮的氧化，這可能是微量元素促進(jìn)厭氧消化產(chǎn)甲烷過程和拮抗高氨氮毒害作用的原因之一[5]。

在發(fā)酵底物成分復(fù)雜的發(fā)酵液中，不同微量元素各自發(fā)揮功能，多種元素組合形成的協(xié)同促進(jìn)作用，以及抵抗逆境因子的拮抗作用，是維持厭氧發(fā)酵系統(tǒng)在較高有機(jī)負(fù)荷下長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要原因。Kelly和Switzenbaum[7]以乳清加工廢水為原料進(jìn)行厭氧消化，研究發(fā)現(xiàn)僅僅添加N、P常規(guī)營養(yǎng)元素，出水VFA濃度偏高；而組合添加 Fe、Co、Ni的微量元素可迅速降低出水中的VFA濃度。潘云霞等[8]以牛糞為原料進(jìn)行厭氧消化，發(fā)現(xiàn)向反應(yīng)器中連續(xù)投加Fe、Co、Ni微量金屬元素，可加速厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)并顯著提高COD去除率及產(chǎn)氣量。

2.3 微量元素促進(jìn)厭氧消化的作用機(jī)理

微量元素促進(jìn)厭氧消化其具體的作用機(jī)理是多方面的。一方面，微量元素特別是 Fe、Co、Ni的加入可以定向擴(kuò)增反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌的優(yōu)勢菌種。Takashima和 Speece[9]報(bào)道微量元素Fe、Co、Ni組合加入使反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌的優(yōu)勢菌種由索氏甲烷絲菌轉(zhuǎn)變?yōu)榘褪霞淄榘睡B球菌，從而提高了系統(tǒng)中乙酸的利用率。另一方面，微量元素可以對發(fā)酵過程中產(chǎn)生的毒性物質(zhì)發(fā)生拮抗作用。相對于食物鏈上游的發(fā)酵菌，厭氧處理中產(chǎn)甲烷菌對毒性物質(zhì)更為敏感，根據(jù)Li和 Speece[10]的報(bào)道，投加微量元素能夠縮短甲烷菌耐受高鈉離子的馴化時(shí)間，降低高鈉離子對產(chǎn)甲烷菌的毒性作用。李亞新等[11]研究表明，F(xiàn)e、Co、Ni能拮抗氨氮毒性，并且拮抗作用隨氨氮濃度升高而愈加明顯。

2.4 微量元素生物有效性的影響因素

厭氧消化體系與自然界中土壤、沉積物、污泥等厭氧體系相類似。目前，微量元素生物有效性的研究多集中于土壤研究領(lǐng)域，在厭氧消化領(lǐng)域相對較少。冷旭勇等[12]認(rèn)為，土壤中影響微量元素有效性的關(guān)鍵指標(biāo)是pH值和有機(jī)質(zhì)含量。隨著土壤中有機(jī)質(zhì)含量升高，土壤中有效Zn、有效Cu、和有效B濃度水平呈現(xiàn)升高趨勢；隨著土壤pH值的升高，土壤中有效B濃度水平呈現(xiàn)升高趨勢；相反，有效Fe、有效Mn和有效Mo濃度水平則隨pH值的升高而降低。姚曉芹等[13]通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)研究磷酸對微量元素有效性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著磷酸濃度的升高，有效 Fe和有效Mn濃度水平呈現(xiàn)先升高而后降低的趨勢；有效Zn和有效 Cu濃度水平則隨著磷酸濃度的升高而增加；使用硫酸為對照，有效 Cu濃度水平則呈現(xiàn)先升高而后降低的規(guī)律。

3 酸根陰離子在厭氧消化過程中的作用

厭氧微生物群體產(chǎn)氣過程的微量元素的影響的研究是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。但是，微量元素的生物有效性的發(fā)揮，與碳酸鹽、磷酸鹽、含氮化合物和硫化物等無機(jī)酸根對微量元素具體化學(xué)形態(tài)的調(diào)控作用密不可分。厭氧消化發(fā)酵液中無機(jī)酸根會(huì)與微量元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如形成沉淀、共價(jià)化合物等。此外，含有不同酸根陰離子的無機(jī)鹽和有機(jī)鹽為厭氧微生物提供除C、N以外的各種營養(yǎng)物質(zhì)。因此，酸根陰離子也是影響和調(diào)控厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的重要因子。

3.1 酸根陰離子類型

碳酸鹽、含磷化合物、含氮化合物和硫化物的無機(jī)配合基，以及對微量元素生物有效性均發(fā)揮著重要作用。目前研究較多的酸根陰離子類型是無機(jī)酸根離子，包括SO42-、NO3-、HCO3-、CO32-等。此外，馬歡等[14]認(rèn)為在一定濃度范圍內(nèi)，Mo7O246-可以提高混合微生物種群對原料的轉(zhuǎn)化利用率；而Mo7O246-可以與C6H5O72-產(chǎn)生的交互作用，促進(jìn)厭氧消化進(jìn)行；部分原因在于，Mo對氨基酸、生物堿和碳水化合物等的合成代謝與運(yùn)輸具有調(diào)控作用[15]。

3.2 酸根陰離子的作用

厭氧消化體系中，含量適宜的無機(jī)酸根離子可以促進(jìn)微生物生理活性，從而提高厭氧消化系統(tǒng)的整體效率。馬歡等[14]考察了6種不同酸根陰離子對混合菌群發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響，研究結(jié)論表明，SO42-、NO3-等陰離子均可促進(jìn)產(chǎn)氫。俞冰倩等[16]通過研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿土壤中古細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性與土壤中酸根陰離子的類型和濃度有關(guān)；鹽陸生菌屬對SO42-的濃度有明顯響應(yīng)；嗜鹽堿單孢菌屬對HCO3-/CO32-的濃度有明顯響應(yīng)。

SO42-、NO3-等酸根陰離子對發(fā)酵過程并不是單一的促進(jìn)作用，這些離子也會(huì)激活發(fā)酵液中的有毒重金屬元素，對產(chǎn)甲烷菌的活性和甲烷生成過程產(chǎn)生抑制作用。產(chǎn)甲烷菌是稻田土壤遭受重金屬Cd脅迫的首要生物指標(biāo)。相關(guān)研究顯示，SO42-等陰離子是土壤溶液的主要成分，隨著酸根陰離子濃度的增加Cd的有效態(tài)水平升高；相比Cl-和NO3-，Cd在SO42-處理下對土壤造成的危害更為嚴(yán)重[17-20]。厭氧消化體系中含量過多的有效Cu可以通過影響酶活性而對產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制或毒性作用[21]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相較Cl-和NO3-體系中而言，SO42-體系中鐵質(zhì)磚紅壤對Cu的吸附率顯著升高[22-23]。這種規(guī)律也同樣適用于其他的微量過渡金屬元素，如Zn、Fe、Co等[24]。

4 前景與展望

基于微量元素和酸根陰離子對穩(wěn)定厭氧消化體系的重要作用，在操作參數(shù)正常的條件下，一旦發(fā)生酸化和產(chǎn)氣量下降，由酸根陰離子調(diào)控的微量元素生物有效性的不足是需考慮的關(guān)鍵因素。因此，通過調(diào)控酸根陰離子提高微量金屬元素的生物有效度，是解決運(yùn)行中出現(xiàn)的酸化等問題的新思路和有效途徑之一。針對微量元素和酸根陰離子在厭氧消化工程應(yīng)用中的技術(shù)開發(fā)前景，進(jìn)行如下結(jié)論和展望：

微量元素在厭氧消化系統(tǒng)中化學(xué)存在形態(tài)和生物有效性的動(dòng)態(tài)變化、不同微量元素間的協(xié)同效應(yīng)、及酸根陰離子等影響因子對微量元素生物有效利用率的調(diào)控作用是研究的難點(diǎn)。此外，外源添加微量元素存在潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)根據(jù)具體的生物利用效率來優(yōu)化最佳微量元素添加量，避免微量元素額外添加造成的重金屬二次污染。應(yīng)重點(diǎn)開展對環(huán)境負(fù)面作用較小的微量元素在厭氧消化中的應(yīng)用研究，如Se、Mo，F(xiàn)e等；盡量避免添加易對土壤形成污染的金屬，如Cu、Zn、Ni等。含酸根陰離子的鹽可為微生物提供除C、N源以外的重要營養(yǎng)元素，也對微量元素生物有效性的調(diào)控發(fā)揮著重要影響。因此，未來研究工作可將酸根陰離子與微量元素生物有效性之間、與厭氧微生物之間的相互作用機(jī)制，以及酸根陰離子對厭氧消化系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)和優(yōu)化作用作為新的研究方向。