黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷的影響

王穎 李珺 馬力通 曹曉冰

摘要：為研究泥炭自有成分黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷的影響，提升甲烷產(chǎn)量，在草本泥炭產(chǎn)甲烷發(fā)酵反應系統(tǒng)中分別加入0（CK）、5（T5）、10（T10）、50（T50）和100 mg·L-1（T100）黃腐植酸，分析為期43 d發(fā)酵反應過程中的總產(chǎn)氣量、日產(chǎn)氣量、還原糖含量、揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids，VFA）含量和pH的變化規(guī)律。結(jié)果表明，CK處理的甲烷總產(chǎn)量為16.57 mL·g-1，T5、T10、T50、T100處理的總產(chǎn)氣量分別為21.23、15.55、15.30、11.45 mL·g-1，其中T5處理的甲烷總產(chǎn)量最高，為CK的1.28倍。各發(fā)酵組均于第8或第9天達到產(chǎn)氣峰值，其中T5處理在第9天達到1.81 mL·g-1的產(chǎn)氣量最高峰，是CK處理的1.70倍。且添加黃腐植酸可促進還原糖和VFA降解，同時使發(fā)酵系統(tǒng)的pH更適于產(chǎn)甲烷菌生存。綜上所述，泥炭自有成分腐植酸中可溶于水的黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷具有顯著促進作用。

關(guān)鍵詞：泥炭；生物甲烷；黃腐植酸；還原糖；揮發(fā)性脂肪酸doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0175

中圖分類號：S216.2 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2023）01012806

泥炭覆蓋了全球約180個國家的4億多hm2土地，包含了全球30%的土壤碳。泥炭資源是沼澤地中植物殘體經(jīng)過漫長的生物地球化學過程形成和積累的有機礦產(chǎn)[12]。研究發(fā)現(xiàn)，泥炭會在自然條件下轉(zhuǎn)化為甲烷，但產(chǎn)量較低，研究人員對此進行了相關(guān)研究。郝思雯等[3-4]研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸降解產(chǎn)物苯甲醛可提高反應體系輔酶F420 水平，增加化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除率，促進泥炭生物甲烷轉(zhuǎn)化；在泥炭發(fā)酵反應系統(tǒng)中加入CeCl3和YbCl3可提高產(chǎn)甲烷菌的活性，進而增加甲烷產(chǎn)率。Chen等[5]研究發(fā)現(xiàn)，泥炭與稻草共厭氧消化對甲烷的產(chǎn)率有提高作用。

泥炭化學組分中富含腐植酸，且腐植酸中含有黃腐植酸。黃腐植酸可溶于水，結(jié)構(gòu)中富含活性基團[6]。目前，關(guān)于黃腐植酸對泥炭轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷影響的研究尚未見報道。因此，本文采用外源添加黃腐植酸的方式研究黃腐植酸對于泥炭甲烷化的影響，為研究泥炭甲烷化機理提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和儀器

1.1.1 試驗材料 泥炭的總固體含量（totalsolids，TS）和揮發(fā)性固體含量（volatile solid，VS）分別為8.03%和4.07%；活性污泥的TS和VS含量分別為0.66%和0.38%。活性污泥經(jīng)實驗室厭氧馴化后置于4 ℃冰箱存放。試驗試劑詳見表1。

1.1.2 試驗儀器 試驗儀器包括SQR分析天平、HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋、pHS-3C pH計、752N型紫外可見分光光度計、LD4-2A 型低速離心機、2500Y多功能粉碎機以及79-1磁力加熱攪拌器。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于500 mL發(fā)酵瓶中進行。取活性污泥200 mL、150目泥炭40 g，加H2O將其體積定容至400 mL，分別加入0（CK）、5（T5）、10（T10）、50（T50）和100 mg·L-1（T100）黃腐植酸（表2），初始pH 7.0；然后置于50 ℃水浴加熱，在泥炭產(chǎn)甲烷發(fā)酵反應過程中定時震蕩發(fā)酵瓶，使發(fā)酵充分。每天測定甲烷產(chǎn)量，每3 d取1次樣，并對其進行還原糖和揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids， VFA）含量及pH 測定；發(fā)酵結(jié)束后計算總產(chǎn)氣量。試驗做5組，平行試驗3次。

1.3 試驗方法

使用pHS-3C pH計測定pH，采用比色測定法測定VFA 含量[7]，采用排水集氣法測定日產(chǎn)氣量[8]。還原糖含量采用紫外分光光度計在540 nm處進行檢測[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 26.0統(tǒng)計軟件進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷反應體系總產(chǎn)氣量的影響

黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷的總產(chǎn)氣量影響如圖1 所示。CK 組的總產(chǎn)氣量為16.57 mL·g-1；處理組隨著發(fā)酵體系中黃腐植酸用量從5（T5）、10（T10）、50 mg·L-1（T50）增加到100 mg·L-1（T100），泥炭發(fā)酵組的甲烷總產(chǎn)氣量分別為21.23、15.55、15.30、11.45 mL·g-1，其中T5 處理組較CK 顯著提高28.05%。表明黃腐植酸對泥炭甲烷發(fā)酵體系反應有一定影響，且低水平黃腐植酸對甲烷產(chǎn)量的提高效果較好，隨著黃腐植酸用量的增加，甲烷產(chǎn)量呈現(xiàn)降低趨勢。

2.2 黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷反應體系日產(chǎn)氣量的影響黃腐植酸影響泥炭甲烷的日產(chǎn)氣量（圖2）。在為期43 d的產(chǎn)甲烷過程中，所有發(fā)酵組的日產(chǎn)氣量均為先升高至最大值，然后再降低到零，加入黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷有顯著影響。發(fā)酵前7 d，黃腐植酸對于甲烷產(chǎn)量的作用較小；在第7到11天，黃腐植酸的作用逐漸顯著，添加黃腐植酸發(fā)酵反應系統(tǒng)的甲烷日產(chǎn)量顯著增加。其中，T5處理組在發(fā)酵第3到第10天及第30到36天的甲烷日產(chǎn)氣量遠高于CK，且在第9天達到的日產(chǎn)氣量最高峰1.81 mL·g-1，是CK的1.7倍；發(fā)酵第15天后，T5處理組仍高于CK，但T100處理組的產(chǎn)氣量均低于CK，表明高水平黃腐植酸在發(fā)酵后期對泥炭產(chǎn)甲烷有抑制作用。

2.3 黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷反應體系還原糖含量的影響

黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷反應體系中還原糖含量的影響如圖3所示，黃腐植酸處理與CK的還原糖含量均呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，可能是由于泥炭中的纖維素被逐步降解為還原糖。其中，添加黃腐植酸的泥炭發(fā)酵處理組還原糖含量的峰值均低于CK。CK 在發(fā)酵第34天時還原糖含量達到峰值（0.34%）；T5處理組的還原糖峰值在發(fā)酵末期（第43天）出現(xiàn)，為0.21%。由此表明，添加黃腐植酸會促進泥炭纖維素降解為葡萄糖等還原糖，提高甲烷發(fā)酵體系中還原糖轉(zhuǎn)化率，促進還原糖轉(zhuǎn)化為VFA或者甲烷。

2.4 黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷反應體系VFA 含量的影響

由圖4可知，T100處理組的VFA含量在發(fā)酵過程中無明顯波動；CK和T5、T10、T50處理組在發(fā)酵初始VFA含量分別為0.90、0.82、0.74、0.79 g·L-1；發(fā)酵第9 天，其VFA 含量分別增加0.46、0.22、0.24、0.19 g·L-1，其中T5、T10、T50處理組VFA含量的增幅低于CK，表明處理組有更多的VFA被消耗轉(zhuǎn)化為甲烷。T5、T10、T50于發(fā)酵第21、22天VFA含量最低，分別為0.75、0.74、0.67 g·L-1；于發(fā)酵第40天VFA 含量達到最大值，分別較最低值增加0.59、0.46、0.56 g·L-1，其中T5處理組的VFA含量增幅最大，表明T5處理組有更多的VFA轉(zhuǎn)化為甲烷。

2.5 黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷反應體系pH 的影響

黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷過程中pH的影響如圖5 所示。泥炭產(chǎn)甲烷發(fā)酵系統(tǒng)的初始pH 為7.0，隨著發(fā)酵進程，有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為VFA，pH下降，隨后VFA又生成甲烷，pH又逐漸增加，最終pH為6.82～7.69。黃腐植酸處理組發(fā)酵反應系統(tǒng)的pH均低于CK，其中，CK 的pH 于發(fā)酵第4 天降至6.66，隨后逐漸增加至7.69；T5處理組pH于發(fā)酵第4天降至6.53，隨后逐漸增加至7.10。不同處理的pH最大值存在差異，表明泥炭產(chǎn)甲烷的過程是許多微生物菌種共同作用的結(jié)果。

2.6 不同化合物對泥炭產(chǎn)甲烷的影響

不同化合物對泥炭產(chǎn)甲烷的影響如表3 所示。研究發(fā)現(xiàn)，添加3.00×103 mg·L-1 苯甲醛的甲烷產(chǎn)量為3.00×103 μmol·L-1·d-1，是未添加苯甲醛產(chǎn)量的2.11倍；分別添加200 mg·L-1 CeCl3 和200mg·L-1 YbCl3 時，甲烷產(chǎn)量分別為1.15×103和1.10×103 μmol·L-1·d-1，分別為對照的1.21 和1.16倍[4]。本研究中加入5 mg·L-1 黃腐植酸時的甲烷產(chǎn)量為2.20×103 μmol·L-1·d-1，是未添加黃腐植酸的1.28倍。

2.7 技術(shù)經(jīng)濟分析

添加營養(yǎng)物質(zhì)可以提高生物產(chǎn)量，但會增加生產(chǎn)成本。因此，需要進行技術(shù)經(jīng)濟分析，以評估添加營養(yǎng)物質(zhì)的可行性。在本研究的基礎(chǔ)上，對1 t泥炭的厭氧發(fā)酵工藝進行經(jīng)濟分析，如表4所示。每噸泥炭添加價值10元黃腐植酸可以使甲烷增加12.12元利潤，因此，添加黃腐植酸產(chǎn)甲烷的凈利潤為2.12元。由此表明，將黃腐植酸應用于泥炭產(chǎn)甲烷有著非常好的經(jīng)濟前景。

3 討論

添加黃腐植酸對泥炭產(chǎn)甲烷量影響顯著。添加低水平黃腐植酸，黃腐植酸的小分子物質(zhì)可以通過微生物細胞的細胞膜，引起電子轉(zhuǎn)移，從而提高產(chǎn)甲烷酶活性，增加甲烷產(chǎn)量[10-13]；但隨著黃腐植酸用量的增加，甲烷產(chǎn)量呈現(xiàn)降低趨勢，可能是由于在高水平黃腐植酸下，由于黃腐植酸的飽和，它們對微生物細胞內(nèi)電子轉(zhuǎn)移的貢獻不再隨用量的增加而增加；且在細胞外水解酶和微生物細胞與大量的黃腐植酸結(jié)合，從而造成酶與細胞失活[14]。

本研究表明，添加少量黃腐植酸可提高甲烷日產(chǎn)量峰值，可能是由于少量的黃腐植酸可提高產(chǎn)甲烷菌活性[7]；黃腐植酸中的脂肪族化合物、酰胺和碳水化合物也可作為碳源，增加反應體系碳含量，黃腐植酸也可作為多環(huán)芳烴的載體，為微生物提供更多的多環(huán)芳烴通量，進而促進甲烷的產(chǎn)生；而高水平黃腐植酸會抑制甲烷產(chǎn)量，可能是因為高水平黃腐植酸抑制了發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物活性。黃腐植酸作為末端電子受體，可接受來自醋酸鹽的電子；且能夠抑制輔酶F420的活性，從而影響甲烷產(chǎn)量[15]。T10、T50、T100 處理組在發(fā)酵后期的日產(chǎn)氣量明顯低于空白對照，可能是由于黃腐植酸在發(fā)酵過程中可降解為CO2，而CO2溶于水生成酸性物質(zhì)，使得發(fā)酵系統(tǒng)的pH降低，導致產(chǎn)甲烷菌活性降低[16]。

本研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵反應體系中黃腐植酸水平越高，還原糖含量越低，可能是由于黃腐植酸促使泥炭降解產(chǎn)生了較多的中間產(chǎn)物，使得還原糖含量隨黃腐植酸用量的增加逐漸降低。T5與T10、T50處理組在發(fā)酵24 d后變化相似，可能是由于T5 處理組還原糖的降解速率較快，而T10、T50 處理組在發(fā)酵后期還原糖降解速率降低，使得還原糖積累，這與發(fā)酵后期的日產(chǎn)氣量較低一致。T100處理組的還原糖含量無明顯增加，可能是由于過量的黃腐植酸降低了水解酶活性，使得纖維素難以水解為還原糖，導致甲烷產(chǎn)量更低。

在發(fā)酵系統(tǒng)中VFA 含量是系統(tǒng)穩(wěn)定性的表征指標[17]，其含量的高低可用來評價添加物對甲烷發(fā)酵的影響。在泥炭產(chǎn)甲烷過程中，有機質(zhì)分解生成VFA，VFA 轉(zhuǎn)變成乙酸、H2，最終生成甲烷[18]。添加少量黃腐植酸使VFA含量降低，其反應pH更適宜產(chǎn)甲烷菌生存，從而提高產(chǎn)甲烷菌活性，提高甲烷產(chǎn)量[19]。微生物活性受pH影響，增加黃腐植酸用量會降低發(fā)酵反應體系pH，而較低的pH會抑制產(chǎn)甲烷菌活性，因此高水平黃腐植酸會降低甲烷產(chǎn)量。

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（責任編輯：張冬玲）