生物炭負載蒽醌-2-磺酸鈉對厭氧消化的影響

張玉磊,馬俊怡,艾 平,趙立欣,姚宗路*,于佳動,梁 依

生物炭負載蒽醌-2-磺酸鈉對厭氧消化的影響

張玉磊1,2,馬俊怡2,艾 平1,趙立欣2,姚宗路2*,于佳動2,梁 依2

(1.華中農業大學工學院,湖北 武漢 430072；2.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,農業農村部華北平原農業綠色低碳重點實驗室,北京 100081)

為提高厭氧消化系統的降解效率,以生物炭(BC)為載體負載蒽醌-2-磺酸鈉(AQS),制備復合材料BC/AQS并應用于厭氧消化系統.在中溫條件(35℃)下開展批式厭氧消化試驗,探究BC/AQS對玉米秸稈厭氧消化的影響.結果表明,當AQS浸漬濃度為1mmol/L時,BC/AQS強化厭氧消化的產甲烷效率最高,此時最大產甲烷速率max達到10.64mL/(d·g),最大累積甲烷產量max達到240.41mL/g,單位揮發性固體(VS)累積產甲烷量分別比空白對照組和添加BC的試驗組提高20.60%和12.11%(<0.05).產甲烷古菌中甲烷八疊球菌屬()和甲烷泡菌屬()得到富集.此外,BC/AQS在發酵前期促進了揮發性脂肪酸(VFA)的生成,使總VFA濃度在第10d比對照組提高了7.73%～18.54%;在中后期促進了VFA的降解,其中BC/AQS-1mmol/L使總VFA濃度下降77.43%,降幅最大.BC/AQS提高了水解產酸菌群、、和不動桿菌屬()的豐度.

玉米秸稈；厭氧消化；生物炭；蒽醌-2-磺酸鈉；復合介體

我國生物質資源豐富,其中農作物秸稈已逐漸成為農業生產活動中的主要廢棄物之一.傳統的作物秸稈處理方式如焚燒、填埋及翻耕等,不僅會污染空氣與土壤,也會造成生物質資源的浪費[1].因此,尋找一種有效的方式來消納農作物秸稈是關重要.厭氧消化技術通過生物作用降解有機質,是一種理想的處理手段.該技術可以產生沼氣用于發電或作為化石能源的替代品,從而減輕環境污染并緩解國家能源危機,具有重要的意義.然而,盡管厭氧消化技術的潛力巨大,但其降解效率受到各種抑制因素的限制[2].近年來,許多學者發現添加氧化還原介體可以有效提高厭氧消化技術的降解性能.例如,張立國等[3]以及班巧英等[4]均探究了氧化還原介體在提高厭氧消化降解效率上的顯著性.

蒽醌-2-磺酸鈉(AQS)是一種常見的醌類氧化還原介體,常作為外源添加劑應用于厭氧消化系統.研究發現,極低濃度的AQS便可顯著提高厭氧消化的效率. Cai等[5]在以葡萄糖為底物的試驗中添加較少量AQS(50μmol/L)使甲烷產量提高了33.5%.然而,AQS屬于水溶性氧化還原介體,易在連續厭氧生物處理中流失,如何使AQS在厭氧消化系統中持續穩定地發揮作用是應用可溶性氧化還原介體所面臨的主要問題之一.

近年來,研究人員通過物理或化學等方法將可溶性氧化還原介體固定在特定的載體上,以形成密集且可持續發揮作用的復合介體[6]. Zhou等[7]采用AQS和氧化石墨烯修飾聚氨酯泡沫塑料(AQS- rGO-PUF)用于強化酸性紅18(AR18)的厭氧脫色,在進行8輪試驗后,AR18的脫色率仍保持在98.18%,證明了AQS-rGO-PUF的可重復使用性和催化穩定性.此外,AQS在不同的載體上可能會表現出不同的性能,為進一步提高AQS的吸附容量和催化效果,確保其在厭氧消化系統中的穩定性和可靠性,目前仍需尋找一種具備多種優良特性的載體材料[8].

生物炭(BC)是在缺氧條件下高溫熱解生物質制備的固體材料,其制備原料來源廣泛、制備工藝簡單且環境友好[9]. BC具有豐富的含氧官能團、良好的導電能力、生物相容性、較高的孔隙率以及陽離子交換能力,十分適合用作載體材料[10-11].而研究發現,通過將AQS分別固定于BC和GAC進行比較研究,BC對AQS的吸附容量更高,BC-AQS含有更多的氧化還原基團,表明BC更適合作為AQS的載體[12].然而,將BC/AQS應用于強化厭氧消化產甲烷的研究較少,其強化效果也需進一步探究.

基于此,本研究以BC作為載體負載AQS,制備復合介體BC/AQS,并應用于強化秸稈厭氧消化.首先對復合介體進行表征,分析AQS固定化后的材料特征,其次比較分析不同AQS浸漬濃度的復合介體對秸稈厭氧消化產甲烷、揮發性脂肪酸變化及微生物群落結構的影響規律,探究固定化AQS對秸稈厭氧消化的強化效果.

1 材料與方法

1.1 原料與接種物

蒽醌-2-磺酸鈉(AQS;分子量:310.26g/mol),國藥集團;氯化鋅(ZnCl2; 98%),國藥集團;玉米秸稈收集于江蘇連云港某玉米地,經清洗、風干,高速粉碎機粉碎并過20目篩后儲存于原料室備用; BC以上述玉米秸稈為原料經熱解制備,熱解溫度為550℃,升溫速率為10℃/min,停留時間為2h.接種污泥取自某中溫條件下處理牛糞和玉米秸稈的厭氧消化反應器.試驗原料的總固體(TS)、揮發性固體(VS)及灰分含量如表1所示.

表1 試驗原料主要特性

1.2 BC/AQS制備

稱取定量BC加入到含250g/L ZnCl2的鹽酸溶液中,鹽酸濃度為1mol/L,置于磁力攪拌器上以30℃、120r/min條件攪拌0.5h, 90℃去離子水洗滌樣品至中性后放置于烘箱中105℃烘干至恒重;將烘干的生物炭分為5份分別浸入配制的1,2,4,6,8mmol/L AQS溶液中,AQS的劑量選擇參考于之前的研究[13-14],利用磁力攪拌器攪拌至均勻后置于30℃的搖床中振蕩24h,用去離子水洗滌固態產物至中性后烘干,即得到BC/AQS.

1.3 試驗設計

試驗裝置采用500mL血清瓶(有效容積400mL),瓶口處配有雙孔補料轉接口,其中一孔通過硅膠軟管連接雙孔鋁箔氣袋,另一孔密封,作為批式厭氧消化反應器.在恒溫培養箱中以中溫(35℃)進行發酵,反應器中產生的氣體通過硅膠軟管進入氣袋,使用注射器抽取氣體測量體積,并將氣體注入備用氣袋進行氣體組分分析.

試驗以玉米秸稈為發酵底物,所有試驗組玉米秸稈添加量為60g VS/L,接種比例為30%/,設置空白對照組CK(未添加介體材料)、BC組(添加BC)、和BC/AQS組(分別添加5種AQS浸漬濃度的BC/AQS).每組設置3個重復,試驗期間每天同一時間收集氣體并對血清瓶進行振蕩,每5d取一次液體樣品進行揮發性脂肪酸及pH值等測定.各試驗組設計如表2所示.

表2 BC/AQS介導厭氧消化試驗方案

1.4 測試項目及方法

TS 和VS 采用標準方法(APHA,1998)測定[15];使用雷磁多參數分析儀(DZS-706,中國)測量pH值;日產氣量通過注射器上標示體積的刻度線來讀取; 沼氣組分使用氣相色譜-熱導池檢測器(G5,北京普析)測定;揮發性脂肪酸采用氣相色譜分析法(GC- 7890A,安捷倫,美國)測定;C、H、N、S的含量使用元素分析儀(Vario EL cube,德國Elemantar)測定;通過掃描電子顯微鏡(Apreo 2C,賽默飛,美國)觀測BC及BC/AQS的表觀形態;采用傅里葉紅外光譜法(INVENIO R, Bruker,德國)測定BC及BC/AQS的化學結構;使用全自動物理吸附儀(ASAP 2460美國)測定BC及BC/AQS的比表面積.

微生物群落結構分析采用16S rRNA高通量測序(深圳微科盟科技集團有限公司),測序平臺為Illumina MiSeq, PCR擴增引物采用319F (CCTACGGGNGGCWGCAG)和806R(GGACTAC- HVG GGTATCTAATCC)擴增16S rRNA基因V3- V4區.

1.5 數據分析

通過Excel進行數據記錄與基本運算;通過SPSS 26對試驗數據進行顯著性分析;通過OriginPro 2022b 進行繪圖與動力學擬合.

根據S元素含量的變化,利用公式1計算AQS實際負載量.

式中:AQS為AQS實際負載量,mmol/g;S為BC/AQS材料的S含量,mg/g;1為BC中S的含量,mg/g.

利用修正Gompertz方程對單位VS累積甲烷產量進行擬合.

式中:()為第d累積甲烷產量,mL/g;max為最大累積甲烷產量,mL/g;max為最大產甲烷速率,mL/ (d·g);為延滯期,d; e為自然常數,2.718282.

2 結果與分析

2.1 BC/AQS的表征

2.1.1 微觀結構與比表面積 通過掃描電鏡分析各介體材料表觀形態的差異.如圖1所示,其中生物炭原炭即BC表面比較平整,無明顯孔隙結構,而BC/AQS材料表面比較粗糙,孔隙增多,表面疏松多孔,這可能是在鹽酸的侵蝕下炭表面暴露出更多的片層結構與缺陷位點[12],這種結構不僅有利于AQS的負載,還有利于微生物定植,進而提高BC/AQS的傳質能力[16-17].各材料的比表面積大小依次為BC/AQS-1mmol/L (14.50m2/g)、BC/AQS-2mmol/L (12.25m2/g)、BC/AQS-4mmol/L (10.07m2/g)、BC/ AQS-6mmol/L (9.94m2/g)、BC/AQS-8mmol/L (9.92m2/g)、BC(1.14m2/g), BC/AQS的比表面積顯著大于BC的比表面積,但在各BC/AQS組中,隨著AQS負載濃度的增加BC/AQS的比表面積逐漸減小,這可能是因為AQS分子會阻塞生物炭部分孔隙,占據生物炭表面點位,使BC/AQS的比表面積下降[18].

2.1.2 紅外光譜分析 應用FTIR檢測分析了BC及BC/AQS表面官能團的差異,光譜分析結果如圖2所示.在1728cm-1波數處的峰對應羰基或酯類中C=O的伸縮振動[12,19], 1600cm-1附近的峰對應醌類化合物中醌基官能團的伸縮振動[20-21],與BC相比, BC/AQS在這兩處的峰面積明顯增大,特征峰相對明顯,這可能是因為BC與AQS發生相互作用,C=O和醌基官能團含量增加,表明二者形成了復合介體.1400cm-1處的峰值與酚羥基的變化有關[12]. 1030cm-1處的特征峰屬于C-O-C[22].1210cm-1附近的峰是由-SO3-引起的[23], BC/AQS在此處有明顯的特征峰,這可能是因為AQS中-SO3-的伸縮振動[24],進一步說明BC對AQS實現了有效負載.

圖2 BC及BC/AQS的紅外光譜圖

2.1.3 元素分析 各介體材料的S元素質量分數與BC/AQS實際AQS負載量如表3所示.根據公式(1)計算各BC/AQS復合介體的實際AQS負載量.BC中S元素含量極少,而在BC/AQS中S元素質量分數均有增加,表明AQS成功負載于BC.然而,隨著AQS浸漬濃度的增加,實際AQS負載量并未隨之增多,在浸漬濃度為2mmol/L時達到最大實際負載量0.1282mmol/g,當浸漬濃度為4,6,8mmol/L時負載量呈現下降趨勢,這可能是因為隨著AQS濃度的升高BC表面大量的活性位點被占據并達到吸附飽和狀態,也可能因為吸附在BC上的AQS分子阻塞了部分表面,使可利用吸附位點減少[25-26].

表3 元素分析及AQS負載量

2.2 BC/AQS對秸稈厭氧消化產甲烷的影響

2.2.1 日甲烷產量與累積甲烷產量 BC及BC/ AQS介導秸稈厭氧消化日甲烷產量的變化如圖3(a)所示,各試驗組分別在第8～9d、第20～25d出現兩次產甲烷高峰期.添加BC/AQS的試驗組均在第8d出現產甲烷高峰,而添加BC試驗組的產甲烷高峰出現在第9d,這可能是因為AQS參與促進了大分子有機物的水解,提高了微生物對能量的利用效率[6].第9d后產甲烷量迅速下降,此時玉米秸稈中的有機質被水解產酸菌利用產生了大量的有機酸,抑制了產甲烷菌的活性[27].第20～21d BC/AQS組均達到第二個產甲烷高峰期,而BC組及CK在第24d和26d達到高峰期,這可能是因為BC/AQS改善了微生物的電子傳遞能力提高了系統內反應速率,AQS能夠在氧化態與還原態之間相互轉化,接受電子供體產生的電子并傳遞至電子受體,加速系統內的氧化還原反應,進而提高產甲烷效率[28].隨后產甲烷量下降到較低值進入停滯期,在第35～ 40d產氣有所恢復,但隨著有機物的減少甲烷產量再次下降.

各試驗組的單位VS累積甲烷產量如圖3(b)所示,各試驗組的變化趨勢基本一致,均在前33d處于上升期,之后趨于平穩.試驗組BC/AQS-1mmol/L、BC/AQS-4mmol/L、BC/AQS-8mmol/L產氣效果較好,累積甲烷產量依次為244.02, 221.74, 219.67mL/g VS,分別比CK提高20.60%、9.59%和8.57%(<0.05),其中, BC/AQS-1mmol/L組比BC組提高12.11% (<0.05).可見,BC/AQS有效提高了厭氧消化的甲烷產量.AQS中的醌基結構可以在醌/氫醌的氧化態與還原態之間反復循環,使BC/AQS能夠接受并傳遞電子,為胞外電子流提供一個高效連續的路徑,從而能夠強化產甲烷[29].Wang等[12]在研究中測定了BC、BC-AQS、GAC、GAC-AQS的電子傳遞能力(ETC),發現BC-AQS的電子接受能力 (EAC)更高,因此BC-AQS在研究中表現出更高的催化性能.此外,BC作為載體除了固定AQS外,還為微生物提供了大量附著位點,增加其與電子供、受體的接觸點,進一步提高電子傳遞效率[30].

在添加BC/AQS的各試驗組之間累積甲烷產量由大到小為:BC/AQS-1mmol/L、BC/AQS-4mmol/ L、BC/AQS-8mmol/L、BC/AQS-6mmol/L、BC/AQS- 2mmol/L.綜上所述,BC/AQS-1mmol/L組產氣效果最佳.隨著AQS浸漬濃度的增加,累積甲烷產量呈現先下降再上升的趨勢,實際AQS負載量最高的BC/ AQS-2mmol/L組產氣效果最差,這與胡金梅等[31]的研究結果一致.AQS的存在會富集參與醌反應有關的微生物,較高濃度的AQS促進了反應體系中的醌呼吸作用并與產甲烷途徑產生競爭,此外,醌呼吸在熱力學上較甲烷生成更易發生,這也使得產甲烷活動被抑制[32-33].

2.2.2 產甲烷動力學分析 應用修正的Gompertz方程擬合添加不同介體材料介導的厭氧消化累積甲烷產量,結果如表4所示.各試驗組的相關系數2均大于0.99,表明該模型能夠合理準確地描述各試驗組的產甲烷過程.除BC/AQS-2mmol/L組與BC/AQS-6mmol/L組外,其它各BC/AQS組的最大累積甲烷產量max均高于CK,其中僅BC/AQS-1mmol/L組高于BC組.最大產甲烷速率max能夠在一定程度上表現日甲烷產量的變化,與各試驗組相比, BC/AQS-1mmol/L組具有最大產甲烷速率10.64mL/(d·g).對于延滯期, BC/ AQS-2mmol/L組的延滯期較長,其他試驗組之間無顯著差異.綜上, BC/AQS-1mmol/L組具有最大產甲烷速率和最大累積甲烷產量,因此, BC/ AQS-1mmol/L組的介體材料更適合強化秸稈厭氧消化產甲烷.

表4 產甲烷動力學分析

2.3 揮發性脂肪酸的變化

如圖4所示,各試驗組VFA變化均呈現先增加后大幅減少最后趨于平穩的趨勢.第5d各試驗組總VFA濃度在910.42～1883.3mg/L之間,此時秸稈中的部分有機質被轉化生成水溶性有機物,為水解產酸菌提供生長條件并被降解產生VFA[34].第10d VFA濃度上升到1997.0～3428.9mg/L,達到最大值,前10d有機底物被充分降解,產氫產酸菌快速生長繁殖使VFA在此期間大量累積[35].第10d除BC/AQS- 2mmol/L組(圖4(b))其他各試驗組的總VFA濃度較對照組提高了7.73%～ 18.54%,表明BC/AQS能有效提高水解產酸菌的活性.隨后VFA被產甲烷微生物利用而迅速下降,對比第10～15d總VFA濃度的下降幅度發現, BC/AQS- 1mmol/L組(圖4(a))下降幅度最大為77.43%, BC組(圖4(f))下降72.81%, CK組(圖4(g))下降73.84%,表明BC/AQS-1mmol/L組更有利于促進VFA的降解,而BC/AQS-2mmol/L組不僅產酸效果不佳,其下降幅度也最小為57.31%,這可能與實際AQS負載量有關,較高濃度的AQS會抑制VFA的產生,也不利于VFA降解[4].Cai等[5]的研究揭示了AQS強化VFA產生與降解的機制:發酵前期, AQS作為電子受體促進了產酸菌的增值與代謝,并被氧化為AHQS/AH2QS, VFA大量產生;在后期, AHQS/ AH2QS為產甲烷菌提供電子,產甲烷菌利用VFA產生甲烷.

對VFA的組成分析表明,乙酸是各BC/AQS試驗組的第一優勢揮發性脂肪酸,在厭氧消化系統中大多數的甲烷是由乙酸分解生成的,丙酸、丁酸、戊酸及醇類等被轉化成乙酸后由乙酸型產甲烷菌轉化生成甲烷[36-37].在CK中發現較高濃度的丙酸(462.62～516.83mg/L)于第20～25d生成,丙酸難以被產氫產乙酸菌代謝,其大量積累會對乙酸化及甲烷化階段產生不利影響[38],而在BC/AQS-1mmol/L組中同樣發現第40d仍有丙酸生成,其對產甲烷的抑制體現在第30～35d較低的日甲烷產量與累積甲烷產量在此時期的波動.此外,在前30d內BC/AQS組均有丁酸持續產生,平均濃度依次為239.53, 225.77, 257.84, 168.83, 240.48mg/L, BC組為226.93mg/L, CK在第15d之后不再生成丁酸,表明BC/AQS可能會促進系統內的丁酸代謝.

2.4 微生物群落特征

2.4.1 微生物群落的多樣性 通過16S rRNA高通量測序分析了BC/AQS-1mmol/L組、BC組及CK組第10, 25, 60d微生物群落的差異, α多樣性指數初步顯示了BC/AQS對微生物群落多樣性的影響(表5).其中Chao1指數用來衡量群落豐富度,其值與群落豐度呈正相關.對應于第一個產氣高峰期,第10d BC/AQS-1mmol/L組的Chao1指數為152明顯低于BC組(169)與CK組(168),表明此時BC/AQS- 1mmol/L組的物種豐富度較低,在第25及60d為177, Chao1指數有所增加.據報道,固定化AQS會使某些特定的細菌成為微生物群落中的優勢物種[39].根據Shannon指數和Simpson指數評價微生物群落的多樣性.在第60d試驗結束時,BC/AQS-1mmol/L組檢測到較低的Shannon指數和較高的Simpson指數,表明該厭氧消化系統內微生物群落的多樣性較差.這可能是因為系統內富集了能夠利用BC/AQS的特定菌群,對BC/AQS敏感的微生物逐漸被淘汰. Zhang等[40]在剩余污泥發酵制氫的研究中發現, AQS的存在富集了某些與產氫相關的菌群;同樣, Dai等[41]發現添加AQS的厭氧消化系統與未添加AQS的系統在代謝途徑和微生物群落方面存在顯著差異, AQS在厭氧消化系統內進行氧化還原反應構建電子傳遞通道,刺激了能夠參與該電子傳遞過程的菌群,其他菌群或被抑制或沒有影響.

2.4.2 微生物群落組成變化 圖5(a)是3個試驗組菌群在門水平的相對豐度圖.厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和變形菌門(Proteobacteria)是優勢菌門.厚壁菌門(Firmicutes)是水解過程中的主要菌群,可以水解脂肪、蛋白質等[42],其第10d的豐度在3個試驗組中均在80%以上. Bacteroidetes通常會在降解過程中產生多種裂解酶,對纖維素和半纖維素具有較強的降解作用[43], Bacteroidetes還是一種主要的產酸菌群,能生產乙酸、丙酸及丁酸等,因此Bacteroidetes也與VFA的濃度有關[44].第10d Bacteroidetes在BC/AQS-1mmol/L組中的豐度為7.18%,而在BC組及CK中僅為0.23%和0.16%,在第25d其豐度分別比BC組和CK高15.96%和14.18%,這可能是BC/AQS-1mmol/L組在第10d VFA濃度較高的原因之一. Proteobacteria中的細菌能夠以丙酸鹽及丁酸鹽為底物并在產酸過程中產生乙酸[45],在BC/AQS-1mmol/L組中其相對豐度從第10d的3.87%持續增長到第60d的47.13%,在BC組和CK中的變化不明顯.綜上所述,BC/AQS富集了與水解產酸相關的菌群,對水解酸化過程具有一定的促進作用.

表5 不同試驗組微生物群落的α多樣性指數

圖5(b)顯示了微生物群落在屬水平上的分布情況.在第10d、和是3個試驗組的共有優勢菌群,相對豐度均在10%以上,這33種菌群參與葡萄糖、氨基酸及有機酸的代謝,并將這些物質轉化為H2,有利于產甲烷菌利用[46-47].此外,在第10d的BC/AQS-1mmol/L組中發現了、及,相對豐度依次為0.99%、4.51%和0.83%,而在BC組與CK組并未發現這3種菌群,表明BC/AQS的添加富集了這些微生物.具有較高的木聚糖酶活性,可促進木質素的降解[48],第25d BC/AQS-1mmol/L組中的相對豐度顯著增加,達到25.16%,分別比同時期的BC組及CK高5.74倍和1.89倍,表明添加BC/AQS可能會促進木質素降解;及具有蛋白質水解的功能,能促進消化系統內的有機質轉化[49].此外,在第25與60d的CK中及第60d的BC組中均發現是相對豐度最高的菌群(21.92%～ 39.58%),據報道是多種抗生素抗性基因(AGRs)的潛在宿主,而AGRs因其持久性及強傳播性已被列為新污染物[50].與此同時,在BC/AQS- 1mM組中發現不動桿菌屬()豐度顯著提高,在第60d相對豐度為46.96%, CK組為17.84%, BC組僅為5.98%,而不僅與水解產酸過程有關,還可以促進抗生素的生物降解并減少ARGs的產生[51],這表明BC/AQS在去除ARGs方面有一定的作用.

甲烷桿菌屬()、甲烷八疊球菌屬()和甲烷泡菌屬()是3個試驗組中檢測到的古菌,和均是氫營養型產甲烷菌[52-53],既可利用乙酸產生甲烷,也可利用H2/CO2產生甲烷[54].第10d BC/AQS-1mmol/L組中豐度為2.90%,低于BC組(9.47%)和CK(6.89%),而在第25及60d其豐度持續下降,表明BC/AQS抑制了的活性.而和的相對豐度在BC/AQS-1mmol/L組中均呈現上升趨勢,并在第60d分別比對照提高了44.30%和129.83%,表明BC/AQS對促進氫型產甲烷途徑更具優勢.

綜上所述,BC/AQS在細菌群落展現出了良好的調節能力,多種與水解產酸相關、與降解復雜底物相關的菌群被富集,證明了BC/AQS在水解酸化階段的優勢作用.在古菌方面,得到富集,BC/AQS的添加大幅提高了的豐度,但抑制了的活性,表明BC/AQS在強化氫營養型產甲烷方面更具優勢,這與Cai等[5]的研究結果一致,嗜氫型產甲烷菌受益于AQS的電子傳遞能力,加速了甲烷的生成.

3 結論

3.1 通過對BC負載AQS前后的SEM、BET和FTIR的差異分析,表明AQS成功負載于BC.根據元素含量的計算,浸漬AQS濃度為2mmol/L時達到最大實際負載量0.1282mmol/g.

3.2 BC/AQS作為外源介體材料能夠顯著強化秸稈厭氧消化產甲烷,當AQS浸漬濃度為1mM,厭氧消化產甲烷效率最高,此時具有最高的max和max.單位VS累積甲烷產量比對照組提高了20.60%.

3.3 BC/AQS的添加在發酵前期(第10d)促進了總VFA的生成,在中后期促進了VFA降解.

3.4、、、不動桿菌屬()以及甲烷八疊球菌屬()和甲烷泡菌屬()得到富集,被抑制.

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Effect of biochar-loaded sodium anthraquinone-2-sulfonate on anaerobic digestion.

ZHANG Yu-lei1,2, MA Jun-yi2, AI Ping1, ZHAO Li-xin2, YAO Zong-lu2*, YU Jia-dong2, LIANG Yi2

(1.College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430072, China；2.Key Laboratory of Green and Low Carbon Agriculture in North China Plain, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Institute of Agricultural Environment and Sustainable Development, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)., 2023,43(11)：5863～5872

In order to improve the efficiency of anaerobic digestion system, biochar (BC) was used as a carrier of anthraquinone-2-sulfonate (AQS) for the preparation of composite mediator (BC/AQS) that can be applied in anaerobic digestion system. The batch anaerobic digestion experiment was carried out at mesophilic condition (35℃) to explore the effect of BC/AQS on anaerobic digestion of corn straw. The results showed that when the AQS loading concentration was 1mmol/L, BC/AQS performed best in enhancing methane production efficiency. On this condition, the maximum methane production rate (max) reached 10.64mL/(d×g), the maximum cumulative methane production (max) reached 240.41mL/g, and the cumulative methane production per unit volatile solid (VS) respectively increased by 20.60% and 12.11% compared to the control and treatment solely added BC (<0.05). The archaea enriched by BC/AQS wereand. In addition, BC/AQS promoted the generation of volatile fatty acids (VFAs) in the early stage of digestion, resulting in an increase of 7.73% to 18.54% in total VFAs concentration onday 10 compared with the control. In the middle and later stages, BC/AQS promoted the degradation of VFAs. BC/AQS-1mmol/L induced the largest decrease in total VFAs concentration, with a decrease of 77.43%. The potential mechanism may be BC/AQS increased the abundance of hydrolytic acid-producing bacteria including,,and.

corn straw；anaerobic digestion；biochar；sodium anthraquinone-2-sulfonate；composite mesocosm

X705

A

1000-6923(2023)11-5863-10

張玉磊(1997-),男,內蒙古赤峰人,碩士研究生,研究方向為農業廢棄厭氧生物處理技術.zhangyulei1018@163.com.

張玉磊,馬俊怡,艾 平,等.生物炭負載蒽醌-2-磺酸鈉對厭氧消化的影響 [J]. 中國環境科學, 2023,43(11):5863-5872.

Zhang Y L, Ma J Y, Ai P, et al. Effect of biochar-loaded sodium anthraquinone-2-sulfonate on anaerobic digestion [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):5863-5872.

2023-03-07

國家現代農業產業技術體系建設專項資助;中國農業科學院科技創新工程;中國博士后科學基金資助項目(2022M713418);國家自然科學基金資助項目(51406064)

* 責任作者, 研究員, yaozonglu@caas.cn