土霉素濃度對豬糞厭氧發(fā)酵的影響

李澆林，王昌梅，2，趙興玲，2，吳 凱，2，尹 芳，2，張無敵，2

（1.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明650500；2.吉林東晟生物質(zhì)能工程研究院，吉林 通化134118）

0 引言

抗生素是指由微生物（包括細菌、真菌和放線菌屬）或高等動植物在生長過程中所產(chǎn)生的具有抗病原體或其他活性的一類次級代謝產(chǎn)物。抗生素能干擾其他生物細胞的發(fā)育功能，對動物生長健康具有重要的促進作用，從而被廣泛地應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)。近年來，我國抗生素產(chǎn)量逐年增加，如2008年我國抗生素生產(chǎn)總量為21萬t，2013年的抗生素生產(chǎn)總量較2008年增長了18.1%，其中46.1 %被用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)[1]。進入動物體內(nèi)的抗生素只有10%～30%被母體吸收，大部分以初始母體或代謝產(chǎn)物的形式排出體外，直接或間接進入環(huán)境，造成水體、土壤等污染，并對人類健康產(chǎn)生潛在危害[2]。土霉素（Oxytetracycline，OTC）是一種廣譜半合成抗生素，是目前最常用于預(yù)防和治療動物疾病的四環(huán)素類抗生素[3]。

近年來，我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展迎來了新的階段，養(yǎng)殖規(guī)模日益擴大。隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，含有抗生素的畜禽糞便排放導(dǎo)致了水體、空氣、土壤污染等一系列新的環(huán)境問題。針對畜禽糞便的面源污染，目前主要有存儲集中利用、堆肥和厭氧發(fā)酵處理3種處置方式[4]。相較于其他兩種方式，厭氧發(fā)酵處理不僅能夠解決環(huán)境污染，還可以產(chǎn)生可再生能源，緩解能源危機，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。厭氧發(fā)酵是一個復(fù)雜的生化過程，具有反應(yīng)條件溫和、耗能小等優(yōu)點，被認為是最具有發(fā)展前景的糞污處理技術(shù)之一[5]。

糞污中存在的抗生素勢必會對厭氧發(fā)酵處理糞污廢棄物的過程和效率產(chǎn)生一定影響，且發(fā)酵后的沼肥沼液還田也會對土壤造成污染[6]。早在2000年就有學(xué)者提出，利用含有抗生素的豬糞進行低溫厭氧發(fā)酵，會導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量減少[7]。Alvarez JA的研究表明，當(dāng)土霉素和金霉素的濃度為10～100mg/L時，會對豬糞中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用，使得甲烷產(chǎn)量減少56%～62%[8]。文獻[9]，[10]發(fā)現(xiàn)，在牛糞中溫發(fā)酵過程中，隨著OTC添加量的增加，甲烷產(chǎn)量逐漸減少，當(dāng)OTC的添加量為80mg/L時，甲烷產(chǎn)量相較于20mg/L時下降了60.5%。有研究表明，當(dāng)金霉素濃度低于80mg/L時，不會對厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量產(chǎn)生抑制；當(dāng)土霉素濃度為0～1 000mg/kg時，有利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷[11]，[12]。

本研究以豬糞為發(fā)酵原料進行批量試驗，探究OTC濃度對豬糞厭氧發(fā)酵過程和產(chǎn)氣特性的影響，通過測量甲烷產(chǎn)量，明確OTC濃度對厭氧發(fā)酵的促進/抑制作用，為實際沼氣工程中利用含OTC糞便進行沼氣生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

豬糞取自云南省曲靖市紅石莊園養(yǎng)豬場，接種物為云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室的以豬糞為原料的UASB厭氧消化反應(yīng)器穩(wěn)定運行一年以上馴化的活性污泥，接種物在厭氧條件下完全不產(chǎn)氣，土霉素購于合肥中龍神力動物藥業(yè)有限公司。豬糞的總固體（TS）和揮發(fā)性固體（VS）含量分別為31.11 %和74.60 %，接種物的TS和VS含量分別為10.91 %和46.98 %。

1.2 實驗設(shè)計

實驗采用批量發(fā)酵工藝，發(fā)酵溫度為30±1℃。實驗采用排水集氣法，裝置由發(fā)酵瓶、集氣瓶和排水瓶（容積均為500mL）用橡膠塞和導(dǎo)管連接而成。本實驗共分為6組，各組接種物加入量為有效發(fā)酵體積的30%，豬糞加入量為60 g，土霉素加入量分別為0，40，80，100，300，500mg/kg，分別記為A，B，C，D，E，F(xiàn)組，加水至有效發(fā)酵體積為400mL。在同等條件下，每組各設(shè)置3個平行。

1.3 分析方法

1.3.1 總固體含量

將接種物與原料放入烘干箱，采用標準灼燒恒重法測定。

1.3.2 揮發(fā)性固體含量

將接種物與原料放入馬弗爐，采用標準灼燒恒重法測定。

1.3.3 日產(chǎn)氣量

每隔24 h以3個平行實驗組的平均值作為日產(chǎn)氣量。

1.3.4 甲烷含量

采用福立GC9790 II型氣相色譜儀測定甲烷含量，色譜條件：氣化室溫度為80℃，柱箱溫度為80℃，TCD溫度為120℃，載氣為氮氣，流速為40為mL/min。

1.3.5 產(chǎn)甲烷動力學(xué)

采用修正的Gompertz模型對厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷進行動力學(xué)分析，修正的Gompertz模型的表達式為式中：H為累計產(chǎn)甲烷量，mL；Hmax為最大累計產(chǎn)甲烷量，mL；Rmax為最大產(chǎn)甲烷速率，mL/d；e為自然常數(shù)2.718 281 828；λ為產(chǎn)甲烷延遲期，d；t為發(fā)酵時間，d。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013和OriginPro 2018進行數(shù)據(jù)處理、圖表繪制和方差分析（顯著水平為0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 日產(chǎn)氣量

OTC濃度對豬糞厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)甲烷量的影響如圖1所示。

圖1 OTC濃度對日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)甲烷量的影響Fig.1 Effect of OTC concentration on daily biogas yield and dailymethane yield

由圖1可以看出，各實驗組的日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)甲烷量的變化規(guī)律基本相同，均表現(xiàn)為前3 d的產(chǎn)氣量較低，在第5天左右出現(xiàn)第一個產(chǎn)氣高峰，在此高峰期，所有實驗組的甲烷含量均較低，而CO2含量相對較高，可能是因為在厭氧發(fā)酵初期，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌比產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖速度要快，導(dǎo)致CO2的產(chǎn)生速率高于其消耗速率。在第13天左右出現(xiàn)第二個產(chǎn)氣高峰，此時A～F組的日產(chǎn)氣量分別為577，536，491，508，477，477mL；在第23天左右，A，B，C，D組達到第3個產(chǎn)氣高峰，而E，F(xiàn)組的日產(chǎn)氣量分別下降至139，134mL；所有實驗組均在第27天左右達到最后一個產(chǎn)氣高峰，之后各實驗組的日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)甲烷量均開始逐漸下降，直至產(chǎn)氣結(jié)束。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是OTC會通過抑制肽的生長和蛋白質(zhì)的合成而對革蘭氏陰性菌產(chǎn)生抑制效應(yīng)，最終導(dǎo)致細菌死亡，而產(chǎn)甲烷菌中就有革蘭氏陰性菌，但在該濃度區(qū)間內(nèi)（OTC濃度為300～500mg/kg）產(chǎn)甲烷菌尚未全部衰亡，系統(tǒng)仍可以實現(xiàn)自我修復(fù)[13]。由此分析可以得出，OTC濃度的增加會對豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用，且隨著OTC濃度的增加抑制作用逐漸增強。

2.2 累計產(chǎn)氣量

OTC濃度對厭氧發(fā)酵累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)甲烷量的影響如圖2所示。

圖2 OTC濃度對累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)甲烷量的影響Fig.2 Effectof OTC concentration on cumulative biogas yield and cumulativemethane yield

由圖2可以看出：各實驗組的累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)甲烷量呈現(xiàn)出相同的變化趨勢；在前3 d內(nèi)，厭氧發(fā)酵處于啟動階段，累計產(chǎn)氣量和累計甲烷產(chǎn)量處于較低水平；在第4～40天，厭氧發(fā)酵處于穩(wěn)定運行階段，累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)甲烷量增長迅速；在第40～45天，厭氧發(fā)酵處于結(jié)束階段，累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)甲烷量基本趨于穩(wěn)定，增幅較小趨近于0。通過差異性分析發(fā)現(xiàn)：與A組相比，各實驗組的累計產(chǎn)氣量和累計甲烷產(chǎn)量均呈現(xiàn)顯著性差異（P＜0.05），這說明OTC的引入抑制了產(chǎn)甲烷菌的蛋白合成，在一定程度上降低了產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，從而導(dǎo)致累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)甲烷量的減少；整個發(fā)酵階段基本符合厭氧發(fā)酵規(guī)律，A～F組的平均甲烷含量分別為53.4 %，52.1 %，51.9 %，51.3 %，51.4 %和51.0 %。

3 討論

3.1 產(chǎn)氣潛力分析

厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力分析見表1。由表1可知，A，B，C，D，E，F(xiàn)組 的 累 計 產(chǎn) 甲 烷 量 分 別 為5241，5 049，4 788，4 767，4 740，4 454mL，最大比產(chǎn) 甲 烷 速 率 分 別 為87.4 ，84.2 ，79.8 ，79.5 ，79.0 ，74.2mL/g，抑制率隨著OTC濃度的增加而逐漸增大，當(dāng)OTC濃度為500mg/kg時，OTC的抑制效果最明顯，抑制率為15.02%。Yin FB也得出了相似的結(jié)論，即當(dāng)OTC濃度為500mg/kg時，抑制率達到了22.1 %[11]。Ke X在牛糞中添加不同濃度OTC并進行中溫厭氧發(fā)酵，實驗結(jié)果表明，當(dāng)OTC的濃度分別為12.5 ，37.5 ，75mg/L時，沼氣產(chǎn)量分別減少了32%，40%，49%[9]。WeiM利用OTC馴化過的接種物進行豬糞厭氧發(fā)酵，實驗結(jié)果表明：當(dāng)OTC的濃度為0～1 000mg/kg時，OTC會不同程度地促進厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷[12]。出現(xiàn)不同結(jié)果的原因可能是實驗所采取的工藝方法、原料性質(zhì)、發(fā)酵料液配比以及接種物等之間的差異。結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)回歸分析可知，當(dāng)OTC濃度為0～100mg/kg時，OTC濃度（x）與抑制率（y）呈現(xiàn)線性關(guān)系，擬合方程為y=0.096 3x+0.041 （R2=0.9776）。因此，當(dāng)OTC濃度為0～100mg/kg時，OTC濃度對厭氧消化的抑制率可以通過統(tǒng)計分析來估算。

表1 厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力分析Table 1 Analysis of gas production potential of anaerobic fermentation

3.2 產(chǎn)甲烷動力學(xué)分析

采用Gompertz模型對各試驗組進行擬合分析，得出的相關(guān)系數(shù)R2、最大累計產(chǎn)甲烷量Hmax、最大產(chǎn)甲烷速率Rmax以及產(chǎn)甲烷延遲期λ如表2所示。

表2 修正后的Gompertz模型參數(shù)Table 2Modified Gompertzmodel parameters

由表2可以看出，6組實驗的Gompertz模型擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99 ，表明該方程適用于所有實驗組的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程。結(jié)合圖2和表2可知：各實驗組的的累計產(chǎn)甲烷量分別為最大累計產(chǎn)甲烷量的89.2 %，89.4 %，89.0 %，89.6 %，86.6 %和86.7 %，二者基本一致；隨著OTC濃度的增加，最大產(chǎn)甲烷速率呈現(xiàn)遞減趨勢，可能是因為OTC濃度的增加對產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖起到了抑制作用，這與王玲的研究結(jié)果相一致[14]；當(dāng)OTC濃度較低時（≤100mg/kg），產(chǎn)甲烷延遲期隨著OTC濃度的增加而逐漸變長，但是，當(dāng)OTC濃度為500mg/kg時，產(chǎn)甲烷延遲期卻比A組縮短了0.55 d，這可能是因為當(dāng)OTC濃度為100mg/kg左右時，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)分解菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌等產(chǎn)生較大抑制作用，導(dǎo)致水解階段和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段產(chǎn)生限速，而對產(chǎn)甲烷階段抑制作用較小，因此延遲了產(chǎn)甲烷階段的啟動時間。

4 結(jié)論

①隨著OTC濃度的增大，各實驗組的累計產(chǎn)甲烷量逐漸減小，OTC的抑制作用逐漸加強；當(dāng)OTC濃度為500mg/kg時，最大累計產(chǎn)甲烷抑制率達到15.02%。

②當(dāng)OTC的濃度為300～500mg/kg時，會較大程度地影響微生物的生長代謝，加速產(chǎn)甲烷菌的衰亡，但發(fā)酵系統(tǒng)仍然具有自我修復(fù)的能力；當(dāng)OTC的濃度為0～100mg/kg時，可通過數(shù)學(xué)分析估算出OTC濃度對厭氧發(fā)酵的抑制率。

③通過Gompertz模型擬合發(fā)現(xiàn)，OTC的引入并不會對發(fā)酵過程的整個產(chǎn)氣周期及產(chǎn)氣規(guī)律產(chǎn)生較大影響。