稻殼作為緩釋碳源及載體的改性研究

楊平, 劉青松, 石廣輝, 李華, 董宏標, 段亞飛, 張家松,3,*

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稻殼作為緩釋碳源及載體的改性研究

楊平1,2, 劉青松1, 石廣輝1, 李華1, 董宏標1, 段亞飛1, 張家松1,3,*

1. 中國水產科學研究院南海水產研究所, 農業部南海漁業資源開發利用重點實驗室, 廣東省漁業生態環境重點實驗室, 廣東 廣州 510300 2. 上海海洋大學水產與生命學院, 上海 201306 3. 中國水產科學研究院南海水產研究所深圳基地, 廣東深圳 518121

稻殼可作為廢水處理的外加碳源, 通過適當改性處理可提高其應用性能。為探索稻殼的改性條件, 以不同濃度的NaOH、Ca(OH)2、NaClO為改性試劑對稻殼進行改性處理, 并研究了改性后稻殼的表面結構、芽孢桿菌吸附量、靜態釋碳量、可生化性以及成分含量變化。結果表明: 6% NaOH、0.9% Ca(OH)2和3% NaClO處理對稻殼表面糙化、芽孢桿菌吸附性和靜態釋碳能力有良好的提升效果。在此三組中, 6% NaOH處理后稻殼可生化效果最佳, CD600增長率為其他處理組的4倍; 纖維素含量增加了16.03%, 灰分含量顯著降低, 僅剩4.9%; 且結構改性效果最為明顯, 適用于稻殼改性優化。

稻殼; 化學改性; 緩釋碳源

0 前言

隨著水產養殖業的發展, 養殖廢水治理日益重要, 目前多使用生物法處理水產養殖廢水[1]。由于該廢水含碳量低, 在處理過程中需外加碳源以保證反硝化脫氮性能[2-3]。外加碳源材料中, 甲醇、蔗糖和葡萄糖等[4-7]低分子有機物和糖類成本較高。稻殼作為農業廢棄物, 廉價易得; 且有機碳含量高, 具有能被微生物利用的粗纖維、淀粉和粗蛋白, 可為反硝化反應提供充足的碳源, 作為外加碳源材料更具優勢[8]。稻殼含有大量毛細孔結構及親水性官能團, 可為微生物附著提供較大的比表面積和吸附力。但是, 稻殼中還具有不能被微生物利用的灰分以及結晶度較高的木質素、纖維素, 這限制了其作為碳源和生物載體的使用[9]。

改性可提高生物質材料的利用效果, 如棉花秸稈經NaOH處理后木質素含量降低, 纖維素利用率升高[10]; 玉米秸稈經稀H2SO4處理后半纖維素及纖維素結晶度降低[11]。生物質材料改性方法多, 但大多工序復雜、條件苛刻。該研究擬在室溫條件下, 通過化學改性的方式, 提高稻殼作為反硝化碳源及生物載體的利用效果。該試驗選擇了不同濃度的NaOH、Ca(OH)2和NaClO為改性試劑對稻殼進行改性, 檢測了改性稻殼的表面結構、芽孢桿菌吸附量、靜態釋碳量、可生化性以及成分含量變化。通過探討不同試劑、不同試劑濃度對稻殼的改性效果, 確定稻殼改性的最佳條件, 并對稻殼改性機理進行分析, 以期為其他材料改性提供一定的借鑒。

1 材料和方法

1.1 儀器及試劑

稻殼(中山市小欖鎮稻谷加工廠); 海水晶(廣州市海荔水族科技有限公司); 芽孢桿菌(廣州市欣海利生生物科技有限公司); NaOH、Ca(OH)2、NaClO(AR, 廣州化學試劑廠); 鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司); 恒溫培養振蕩器(上海智城分析儀器制造有限公司); 超聲波清洗機(寧波新芝生物科技股份有限公司); 高效液相色譜儀(日本島津公司HPLC-20AT); 電子掃描電子顯微鏡(日本日立公司TM3000)。

1.2 試驗方法

1.2.1 稻殼改性

稻殼過孔徑為0.9 mm的篩網后去離子水沖洗3遍, 85 ℃鼓風干燥、備用。以NaOH、Ca(OH)2和NaClO作為改性試劑, 配置不同濃度改性溶液(表1), 按照7.5 g稻殼每100 mL溶液的比例對稻殼進行改性。振蕩反應去除殘液后, 去離子水沖洗稻殼至中性, 85 ℃鼓風干燥、備用。

1.2.2 微觀形貌分析

將未處理組與各種處理組稻殼干燥后, 粉碎至60—80目大小, 使用TM3000型掃描電子顯微鏡分別對各組進行微觀形貌掃描觀察。掃描電壓設置為15 KV, 放大倍數為300倍, 抽真空并拍照記錄。

1.2.3 改性稻殼吸附芽孢桿菌

稱取未處理組與處理組稻殼各0.3 g, 分別加入50 mL芽孢桿菌菌液(1.595×108cfu·mL-1)中, 于搖床中振蕩吸附6 h。收集稻殼, 除去其表面菌液, 并于50 mL滅菌水中超聲清洗15 min, 取1 mL超聲清洗液, 用平板菌落計數法計數。

1.2.4 改性稻殼靜態釋碳

配置鹽度為30的人工海水, 并進行滅菌處理。取未處理組與處理組稻殼各1 g置于200 mL人工海水中, 28 d后測其CODMn。

1.2.5 改性稻殼可生化性

改性所用培養液含(NH4)2HPO4(0.5 g·L-1)、KH2PO4(1.3 g·L-1)、Na2HPO4(3.2 g·L-1)、Na2SO4(0.8 g·L-1)、NaNO3(1 g·L-1)、NaCl(25 g·L-1), 調pH至7.2, 116℃滅菌15 min。取不同處理組稻殼各2 g, 分別加入200 mL培養液中, 并接種3 mL養殖水處理系統中的生物[12]樣品, 24 h為周期檢測培養液OD600。

1.2.6 改性稻殼成分分析

使用高效液相色譜法測定改性稻殼的纖維素、半纖維素、木質素和灰分含量。待測樣品經Ba(OH)2調節pH至6—7, 0.2 μm濾膜過濾, 使用高效液相色譜儀進行檢測。色譜檢測條件如下: 色譜分離柱, BioradAminex HPX-87H Column(300×7.8 mm, 9 μm);保護柱, BioradMicroguard Cation-H(30×4.6 mm); RI示差檢測器; 流動相為去離子水, 流速為0.6 mL·min-1; 20 μL進樣體積; 85 ℃柱溫。

表1 稻殼改性試劑選擇試驗

2 結果與分析

2.1 稻殼改性試劑濃度的初選

2.1.1 改性稻殼掃描電鏡觀察

通過改性可改變稻殼結構, 優化稻殼作為反硝化碳源及載體的條件, 因此該試驗對不同處理組稻殼進行了掃描電鏡分析。如圖1所示, 未處理組稻殼表面分布著排列整齊的圓錐狀突起(a)。如此致密的表面結構會阻礙微生物附著于稻殼內部, 其大量的孔道結構雖增加了稻殼比表面積(b), 但不能很好的被微生物利用。經改性試劑處理后, 其表面結構出現明顯變化。其中經6% NaOH處理的稻殼, 表面變化最為顯著, 其圓錐狀突起大量消失, 甚至形成了眾多不規則孔狀結構(f)。降低NaOH濃度之后, 對稻殼表面的破壞依然有一定效果(e), 但降到2%時破壞便不再明顯(d)。經Ca(OH)2處理后, 稻殼表面無明顯變化, 仍保留大量圓錐狀突起(g, h, i)。略高濃度的NaClO也能明顯破壞稻殼表面結構, 但破壞并不徹底(j, k)。該結果表明, NaOH和NaClO均可破壞稻殼致密表層, 所導致的松散結構及粗糙表面預示著稻殼更適于作為碳源和載體。

注: 圖1所示分別是a.未處理稻殼外表面, b.未處理稻殼斷面, c.未處理稻殼內表面, d.2% NaOH處理, e.4% NaOH處理, f.6% NaOH處理, g.0.2% Ca(OH)2處理, h.0.55% Ca(OH)2處理, i.0.9% Ca(OH)2處理, j.1% NaClO處理, k.2% NaClO處理, l.3% NaClO處理

Figure 1 Untreated and modified rice husk SEM

2.1.2 芽孢桿菌吸附量

通過檢測稻殼吸附芽孢桿菌量, 測定改性稻殼對微生物的吸附性能。由圖2可知, 不同改性試劑, 或相同試劑不同濃度, 均可對稻殼吸附的芽孢桿菌造成影響。經NaOH改性處理后, 各濃度處理組所吸的附芽孢桿菌量均升高, 各濃度處理后菌落數相對于對照組分別增加了0.105×107cfu·mL-1、0.19× 107cfu·mL-1和0.22×107cfu·mL-1, 且其吸附量呈現一定濃度依賴性, 經6% NaOH處理增加最多。表明通過NaOH改性處理可提高稻殼吸附芽孢桿菌的能力, 且適當增加NaOH濃度可提高稻殼的微生物吸附性能。Ca(OH)2處理也可使稻殼芽孢桿菌吸附量升高, 且呈現濃度依賴性。0.2% Ca(OH)2處理后芽孢桿菌吸附量較對照組降低, 經0.55% Ca(OH)2濃度處理升高不明顯, 至0.9%濃度時芽孢桿菌吸附量才出現明顯升高, 增加了0.385×107cfu·mL-1。表明稻殼經一定濃度的Ca(OH)2處理, 可提高芽孢桿菌吸附性能。低濃度Ca(OH)2改性效果不明顯, 可能是由于Ca(OH)2為弱堿, 只有達到一定濃度時才能對稻殼產生作用。NaClO處理后的菌落數明顯低于未處理組, 2%濃度處達到最大值。升高或降低試劑濃度均不能提高稻殼對芽孢桿菌的吸附能力。此結果表明相對較高濃度的NaOH和Ca(OH)2處理稻殼后可升高其菌吸附量。

注: UN, SH, CH 和SHC分別代表未處理組, NaOH, Ca(OH)2, NaClO, 下同。

Figure 2 Modified rice husk adsorption

2.1.3 靜態釋碳量

改性處理后稻殼靜態釋碳量如圖3所示, 各處理組之間釋碳量具有一定差異, 但是與未處理相比, 不同處理組均可增加稻殼的靜態釋碳量。其中NaOH處理組稻殼的釋碳量均增加, NaOH濃度為6%時增加最大(5.738 mg·L-1)。Ca(OH)2處理組僅在0.9%濃度時, 稻殼釋碳量出現增加(3.11 mg·L-1)。NaClO處理組在2%、3%濃度時稻殼釋碳量出現明顯升高, 分別較未處理組增加了8.588 mg·L-1和15.164 mg·L-1, 明顯高于其他兩處理組。該試驗通過使用不同濃度試劑對稻殼進行改性, 使稻殼釋碳量出現不同程度的增加。其中高濃度NaClO增加最顯著, 高濃度NaOH及Ca(OH)2也起到了一定的效果, 表明經所選試劑改性后, 稻殼更加適于成為碳源材料。

2.2 改性稻殼的可生化性

改性試劑濃度的初選實驗中, 綜合掃面電鏡觀察的結構變化、芽孢桿菌吸附量和釋碳量結果, 表明6% NaOH、0.9% Ca(OH)2和3% NaClO處理組對稻殼的改性均具有明顯作用。因此, 該研究選擇此三組進行更深入的探究。

圖3 改性稻殼釋碳量

Figure 3 Modified rice husk release carbon content

圖4 改性稻殼可生化性

Figure 4 Modified rice husk biodegradability

在對改性稻殼的可生化性研究中, 經處理后的稻殼其生物量均高于未處理組, 且均呈現先升高后降低的趨勢。其中, 6% NaOH處理組的稻殼生物量增加幅度遠高于其他各組, 在第5 d時OD600達到最高值(0.155), 遠高于0.9% Ca(OH)2和3% NaClO處理組的最高值(0.031和0.056)。而0.9% Ca(OH)2和3% NaClO處理組在試驗周期內, 其OD600值相較于未處理組, 僅出現小幅度升高。此結果表明, 經6% NaOH處理后, 稻殼的可生化性具有非常顯著的提升。

2.3 改性稻殼成分分析

稻殼的釋碳量和可生化性與其成分有關, 并且其成分更是影響了稻殼作為碳源材料的質量。因此該實驗對改性后的稻殼進行成分分析, 結果表明, 改性處理后稻殼中纖維素和灰分含量出現變化, 半纖維素和木質素含量變化不顯著。纖維素含量經6% NaOH處理后顯著升高, 增加了16.03%, 經0.9% Ca(OH)2和3% NaClO處理后增加不明顯, 僅分別增加了1.55%、2.35%; 稻殼半纖維素含量經6% NaOH處理后增加了5.45%, 其他兩組半纖維素含量無明顯變化; 稻殼木質素含量經不同處理后含量減少, 分別減少了1.78%、2.36%和3.39%(圖5)。稻殼灰分含量在6% NaOH處理組降低到4.9%, 在3% NaClO處理組出現略微下降。該結果表明, 經6% NaOH處理后, 可除去稻殼中大部分的灰質, 這也預示著稻殼更易被微生物利用。

3 討論

化學改性工藝簡潔, 所需條件溫和、污染少, 是國內外常用的改性方式。多數學者將農林廢棄物進行化學改性, 以使其成為優質原料及生物膜載體。該研究選取NaOH、Ca(OH)2和NaClO對稻殼進行改性, 以改進其作為碳源和載體的性能。

經不同濃度改性試劑處理后, 稻殼表面出現不同程度的糙化, 較為直觀的體現了改性處理的效果, 之后的各種生化檢測也證明了改性稻殼的良好性能。生物膜載體對菌類的吸附能力是評價其性能的重要指標。在該研究中, 改性后稻殼吸附芽孢桿菌的量明顯增加, 其中6% NaOH和0.9% Ca(OH)2處理組效果最為明顯。除稻殼外, 玉米秸稈[13]、栗苞炭化料[14]、花生殼[15-16]等被NaOH改性后, 對特定物質的吸附能力也出現了增長。其原因之一是, 這些生物質材料的比表面積與孔徑均在NaOH改性后出現增大, 較大的比面積可為微生物吸附提供更多生存空間, 利于微生物附著。電鏡掃描結果也證實, 經6% NaOH處理后, 稻殼表面有多處不規則小孔, 相應的其菌吸附量也較多。而NaClO處理稻殼后, 其菌吸附量比未處理降低很多, 這應是由于NaClO為強氧化劑, 具有強抑菌性[17], 這種處理會使微量NaClO殘留于稻殼中, 抑制了芽孢桿菌的活性, 從而影響了稻殼對芽孢桿菌的吸附量。

圖5 改性稻殼成分變化

Figure 5 Modified rice husk composition variation

稻殼含大量纖維素、木質素、淀粉和少量粗脂肪、還原糖, 有機碳達到58%以上, 是良好的碳源材料[18]。但是作為緩釋碳源, 其釋碳量與多種因素有關, 如稻殼成分含量、水溶性和水解程度等。由于未處理稻殼中灰分含量高, 使得稻殼水溶性較差, 且各成分結合緊密等因素限制了其釋碳能力[19]。在該研究中, 高濃度的改性試劑均使得稻殼釋碳量明顯增加, 這應是改性試劑破壞了稻殼自身結構并改變稻殼成分含量所致, 這與電鏡掃描觀察結果相符。由圖(f, 1)可看出, 6% NaOH及3% NaClO改性后稻殼表面明顯更加粗糙多孔, 相應的其釋碳量也增加明顯。

基于6% NaOH、0.9% Ca(OH)2和3% NaClO對稻殼表面結構的改造效果及其菌吸附量、靜態釋碳量的明顯提高, 該研究對此三組改性稻殼進行了可生化性分析和成分分析。其中0.9% Ca(OH)2處理組和3% NaClO處理組稻殼的可生化性提升不明顯, 成分含量也無明顯變化。而經6% NaOH處理后, 稻殼可生化性顯著升高, 灰質大部分被去除。

經0.9% Ca(OH)2處理后, 電鏡掃描結果表明稻殼結構無明顯變化, 這預示著其成分變化不會明顯; 其較低的釋碳量也限制了該組的可生化能力, 雖然kim等人證明玉米秸稈纖維素和半纖維素可被Ca(OH)2降解為單體或低聚物, 但那是在高溫, 且經長時間處理完成的[20]。經NaClO處理后, 稻殼表面圓錐狀突起有小部分被除去, 這也符合該組灰質和木質素含量略微降低的結果; 而NaClO強抑菌性導致的低菌吸附能力, 也是導致該組可生化性不高的原因之一。6% NaOH處理稻殼后, 稻殼表面結構破壞徹底, 且灰分含量明顯降低。這是由于稻殼所含的17.6%的灰分是表層圓錐狀突起主要成分[21-22], 而灰分含有大量的酸性氧化物SiO2[23-24], NaOH較易與SiO2反應, 所以處理后去除灰分、即圓錐狀突起的效果明顯。而Ca(OH)2與SiO2反應生成難溶物硅酸鈣, NaClO為弱電解質不易與SiO2反應, 所以兩者對稻殼灰分去除效果較差。在6% NaOH處理組中, 致密表層的破壞和灰分的去除, 為微生物的附著和利用纖維素、木質素等有機碳提供了便利。并且先前研究表明, NaOH可有效降低稻殼中纖維素和半纖維素等高分子化合物的結晶度, 從而增加微生物利用效果[25]。這些均使得6%NaOH處理組具有更高的菌吸附性、靜態釋碳量和可生化性。

4 結論

該研究以不同濃度的NaOH、Ca(OH)2、NaClO對稻殼進行改性, 并檢測了改性稻殼的表面結構, 芽孢桿菌吸附量、靜態釋碳量、可生化性以及成分含量變化。結果表明, 6% NaOH處理組對稻殼改性效果最佳。6% NaOH處理組與未處理組稻殼相比, 其表面糙化效果良好, 芽孢桿菌吸附量升高了0.22×107cfu·mL-1; 靜態釋碳量增加5.738 mg·L-1; 生物纖維素含量增加16.03%; 灰分含量降低了12%; 其可生化性能提升極為顯著。與其他處理組相比, 各項指標顯示6% NaOH處理組改性效果更明顯。

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Research on modification of rice husk as slow-release carbon and bio-carrier

YANG Ping1,2, LIU Qingsong1, SHI Guanghui1, LI Hua1, DONG Hongbiao1, DUAN Yafei1, ZHANG Jiasong1,3,*

1. South China Sea Fishery Research Institute, Chinese Academy of Fishery Science, Key Lab of South China Sea Fishery Resources Exploitation& Utilization, Ministry of Agriculture, Guangdong Provincial Key Lab. of Fishery Ecology Environment, Guangzhou 510300, China 2. College of Fishery and Life Science, Shanghai Ocean University. Shanghai 201306, China 3.Shenzhen Base of South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shenzhen 518121, China

Rice husk can be used as slow-release carbon for wastewater treatment. Its performance can be improved after chemical modification. In order to obtain the optimal modifying condition, NaOH, Ca(OH)2and NaClO was used as modified reagent. The morphology, bacillus adsorption, static carbon release ability, biodegradability and component of the modified rice husk were investigated. The results showed that after modified by 6% NaOH, 0.9% Ca(OH)2and 3% NaClO, the surface of the rice husk became more rough and the bacillus absorption, static carbon release ability were increased. Especially, after modified by 6% NaOH, the rice husk showed the best biodegradability, and the value of OD600was four times higher than other treatment groups. The content of cellulose in modified rice husk was increased 16.03% and the content of ash was decreased to 4.9%. Thus, being modified by 6% NaOH was the optimal modifying condition to increase the performance of rice husk in wastewater treatment.

rice husk; chemical modification; slow-release carbon

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.015

S969.38

A

1008-8873(2019)02-112-07

2018-03-26;

2018-04-03

中國-東盟海上合作基金; 中國水產科學研究院南海水產研究所中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(2017YB15); 廣東省海洋經濟創新發展區域示范專項(GD2012-A02-011); 深圳市戰略性新興產業和未來產業發展專項資金(201605051733565380); 廣東省自然科學基金項目(2017A030313147, 2015A030310393); 農業部南海漁業資源開發利用重點實驗室開放基金(FREU2017-01); 中國水產科學研究院基本科研業務費和農業部海洋漁業可持續發展重點實驗（2018HY-XKQ01）

楊平(1994—), 女, 河南新鄉, 碩士研究生, 研究方向為循環水養殖水處理技術, E-mail:yangping19588@163.com

張家松, 男, 江蘇徐州, 博士, 研究員, 從事水產養殖技術與微生物學研究, E-mail:jiasongzhang@hotmail.com

楊平, 劉青松, 石廣輝, 等. 稻殼作為緩釋碳源及載體的改性研究[J]. 生態科學, 2019, 38(2): 112-118.

YANG Ping, LIU Qingsong, SHI Guanghui, et al. Research on modification of rice husk as slow-release carbon and bio-carrier[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 112-118.