环境科学学报  2016, Vol. 36 Issue (12): 4428-4436
外源Cu、Zn对猪粪与玉米秸秆混合物料产甲烷特性影响机理分析    [PDF全文]
陈芬, 余高, 武春燕, 张吴平, 李筱梅 , 卜玉山    
山西农业大学资源与环境学院, 太谷 030801
摘要: 为了探讨重金属Cu、Zn对有机废弃物产甲烷的影响机制,研究了在55℃条件下添加外源Cu、Zn对猪粪和玉米秸秆质量比为2:1混合物料厌氧发酵过程产甲烷特性的影响.结果表明:当厌氧发酵液的NH4+-N含量低于706.7 mg·L-1时对厌氧发酵未产生明显的抑制作用.厌氧发酵液中的VFA下降幅度与累积甲烷产生量呈正相关.随着混合物料中Cu、Zn浓度的增加,累积产甲烷量总体上均呈现降低趋势(除Zn100处理外),当Cu < 413.7 mg·kg-1或Zn < 500.6 mg·kg-1时,对厌氧发酵的影响不明显,当Cu>513.7 mg·kg-1、Zn>600.6 mg·kg-1时,对厌氧发酵产生显著的抑制作用,且Cu对厌氧发酵的抑制作用强于Zn.不同浓度Cu、Zn与发酵料液中纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性均呈显著负相关(p≤0.05),Cu处理发酵料液中纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性与累积产甲烷量均呈显著正相关(p≤0.05);Zn处理的纤维素酶活性和蔗糖酶活性与其呈显著正相关(p≤0.05),但脲酶活性与其相关性不显著.表明Cu、Zn可能通过影响酶活性而对厌氧发酵过程和累积甲烷产生量产生影响.
关键词: 畜禽粪便     厌氧发酵     Cu、Zn     甲烷产生量     NH4+-N     水解酶活性    
Influence mechanism analysis of exogenous Cu and Zn on the methane-producing characteristics of swine manure mixed with corn straw
CHEN Fen, YU Gao, WU Chunyan, ZHANG Wuping, LI Xiaomei , BU Yushan    
College of Resource and Environment Science, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801
Received 15 May 2016; received in revised from 22 Jul 2016; accepted 29 Jul 2016
Supported by the Project of "Hundred Talents Program" of Shanxi province, the Research Project Supported by Shanxi Scholarship Council of China (No.2013-major project No. 7) and the Key project of Shanxi Province (No.20130313007-3)
Biography: CHEN Fen (1987-), female, Ph.D. candidate, E-mail:httywwwyu1014@sina.com
*Corresponding author: BU Yushan, E-mail:yushan_bu@126.com
Abstract: In order to understand the influence mechanism of heavy metal Cu and Zn on the methane production of organic wastes, an experiment of thermophilic anaerobic digestion (55℃) was conducted to study the effects of exogenous Cu and Zn on the methane-producing characteristic of swine manure mixed with corn straw at the ratio of 2 to 1. The results showed that NH4+-N did not significantly inhibit the anaerobic fermentation when its content was less than 706.7 mg·L-1 in anaerobic fermentation liquid. The descent range of VFA in the fermentation liquid was positively related to the cumulative methane production. The cumulative methane production decreased as Cu or Zn concentration increased in the experimental mixed materials (excepting Zn 100 treatment). Both of Cu and Zn had not obviously affected the anaerobic fermentation when Cu less than 413.7 mg·kg-1 and Zn less than 500.6 mg·kg-1, but the anaerobic fermentation was inhibited when Cu more than 513.7 mg·kg-1 and Zn more than 600.6 mg·kg-1. And the inhibitory effect of Cu on the anaerobic fermentation was stronger than that of Zn. The cellulase activity, sucrase activity, and urease activity were significantly negatively related to the concentration of Cu and Zn in the fermentation liquid (p≤0.05). The cellulase activity, sucrase activity, and urease activity were significantly positively related to the cumulative methane production in Cu treatment (p≤0.05). The cellulase activity and sucrase activity were significantly positively related to the cumulative methane production (p≤0.05), while the correlation between the urease activity and cumulative methane production was not significant in Zn treatment. It can be concluded that exogenous Cu and Zn may inhibit the anaerobic fermentation process and reduce the cumulative methane production by influencing the hydrolytic enzyme activity.
Key words: livestock slurry     anaerobic fermentation     Cu and Zn     methane production     NH4+-N     hydrolytic enzyme activity    
1 引言(Introduction)

近年来, 我国规模化的种植业和养殖业的迅速发展, 导致作物秸秆和畜禽粪便等有机固体废弃物的集中大量产生(王方浩等, 2006彭靖, 2009李鹏等, 2013于海龙等, 2014), 对其进行资源化利用已成为目前研究的热点, 厌氧发酵技术是作物秸秆和畜禽粪便高效资源化利用的途径之一(Mohring et al., 2009Alvarez et al., 2010李文哲等, 2013).

然而, 由于当前我国规模化养殖场的畜禽饲料中普遍使用含有大量Cu、Zn及其他微量元素的添加剂, 但饲料中的Cu、Zn等元素大部分未被畜禽所吸收而随粪便排出(Zakir et al., 2011Zhang et al., 2011Wang et al., 2013), 从而导致畜禽粪便中含有较高的Cu、Zn等重金属(王辉等, 2007庞妍等, 2015).而重金属元素的毒性是导致厌氧发酵不稳定或失败的主要原因之一(Ye et al., 2008Jorge et al., 2015; 2016).Wang等(2015)研究结果表明, Cu离子含量低于100 mg·kg-1时可提高甲烷产量, 含量高于500 mg·kg-1时, 则抑制甲烷产量;Yue等(2006)研究结果表明Cu离子含量低于413 mg·kg-1时可提高甲烷产量, 含量高于1358 mg·kg-1时, 则明显抑制甲烷产量;陈琳等(2012)研究结果表明, 不同Cu含量处理的猪粪小麦秸秆的累积产沼气量从大到小顺序为:CK (Cu含量为49.7 mg·kg-1) > L (349.7 mg·kg-1) > M (649.7 mg·kg-1) > H (949.7 mg·kg-1);李轶等(2015)的研究结果表明, 发酵物料中的Cu含量高于1000 mg·kg-1抑制沼气发酵.Zn含量低于500 mg·kg-1有利于猪粪沼气发酵, 高于800 mg·kg-1抑制沼气发酵(李轶等, 2015), 而孙建平等(2009)的研究结果表明, Zn含量高于1790 mg·kg-1抑制猪场废水厌氧发酵.可见不同研究的结果差异很大, 表明目前还未明确重金属Cu、Zn抑制有机物料厌氧发酵的界限浓度.

本试验以猪粪和玉米秸秆固体质量(g)比为2:1混合物料为发酵底物, 并添加不同含量的外源Cu、Zn在55 ℃条件下进行厌氧发酵, 研究不同浓度Cu、Zn对猪粪玉米秸秆混合物料产甲烷特性的影响, 为提高厌氧发酵产甲烷效率, 实现畜禽粪便资源化高效利用提供理论依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 供试材料与接种物

猪粪取自山西省忻府区旭明养殖专业合作社, 玉米秸秆取自山西农业大学资源环境学院试验站, 样品风干去杂粉碎后备用;接种物采自山西省高平市农村产气良好的沼气池.供试材料的主要理化性质见表 1.Cu和Zn分别选用分析纯CuSO4·5H2O (含Cu为39.4%)和ZnSO4·7H2O (含Zn为22.5%).

表 1 供试材料基本理化性质 Table 1 Physical and chemical characteristics of experimental manures
2.2 试验设计与实施

本研究为明确不同浓度Cu、Zn对猪粪与玉米秸秆混合物料产甲烷特性的影响, 参照已有报道抑制厌氧发酵的Cu、Zn最低浓度(陈琳等, 2012李轶等, 2015), 依据本试验供试材料猪粪、秸秆和接种物的Cu、Zn含量和试验用量, 设添加外源Cu、Zn (以硫酸铜、硫酸锌的形态加入)分别为0(CK)、100、200、300、400和500 mg·kg-1 6个处理, 不同处理发酵物料干物质实际Cu、Zn浓度见表 2.分别称取猪粪30.1 g (含水率9.85%)和玉米秸秆15.2 g (含水率11.66%)于自制试验装置的反应器中(图 1), 然后分别加入270 g (TS=6.0%)接种物, 加蒸馏水至900 g, 充分混匀, 此时反应器中发酵物固体总质量均为56.76 g, 即发酵物固体含量均为6.3%.分别取样300 g离心进行固液分离, 用于厌氧发酵初始固、液相相关指标的测定, 反应器中保留600 g (37.8 g固体物质)进行厌氧发酵试验.3次重复.

表 2 试验设计(以干物质量计) Table 2 Experimental design

图 1 厌氧消化装置图 Fig. 1 Schematic diagram of experimental equipment

当所有物料配置好后, 往反应器中通入UHP-N2, 从而使其达到厌氧环境.将全部处理的厌氧发酵装置放置于同一台高温老化培养箱(140 cm×120 cm×170 cm)中进行厌氧发酵试验, 发酵温度恒定为55 ℃, 发酵过程每天上午和下午分别收集NaOH溶液瓶中的NaOH溶液, 测定其体积以代表甲烷产生量(任南琪等, 2004), 发酵过程一直持续到日产甲烷量≤累积产甲烷量的1%为止, 延续时间为30 d.试验结束后将发酵残余物充分混匀, 部分用于固体含量测定, 剩余部分进行离心将固液分离和固、液相其它有关指标的测定.

2.3 测定项目与方法

累积产甲烷量的测定日甲烷产生量之和为累积产甲烷量.日甲烷产生量和累积产甲烷量均按标准大气压下甲烷产生量进行计算.计算公式如下:

(1)

式中, XSTP为标准大气压下甲烷产生量(mL);Xm为实际甲烷产生量(mL);Tstandard为标准温度(℃);Pm为实际压力(kPa);Tm为实际温度(55 ℃);Pstandard为标准大气压(101.325 kPa).

固体(TS)含量采用(105±5) ℃烘干法(贺延龄, 1999);挥发性固体(VS)采用550 ℃灼烧法(贺延龄, 1999);畜禽粪便总有机碳(TOC)含量采用K2Cr2O7容量法(NY525-2012);全氮(TN)含量参照有机肥料标准测定方法(鲍士旦, 2007);铵态氮(NH4+-N)含量采用连续流动分析仪(FIAstarTM 5000 Systems, FOSS, America)测定;pH采用pH酸度计(上海雷磁厂)进行测定;挥发性脂肪酸(VFA)采用比色法测定(任南琪等, 2004);畜禽粪便中的Cu和Zn含量采用HNO3-HClO4消解-原子吸收分光光度法;水解酶活性测定方法参照关松荫的方法(关松荫, 1983).其中纤维素酶以72 h后1 g样品中生成葡萄糖的毫克数表示, mg·g-1·d-1;蔗糖酶活性以24 h后0.5 g样品中生成葡萄糖的毫克数表示, mg·g-1·d-1;脲酶活性以24 h后0.5 g样品中生成NH3-N的毫克数表示, mg·g-1·d-1.

2.4 数据处理

采用Excel 2003和SPASS 17.0统计软件处理数据.

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 不同浓度Cu、Zn处理猪粪与玉米秸秆混合物料的产甲烷特性比较

表 3可知, CK、Cu100、Cu200、Cu300处理均在试验的第1 d开始产甲烷, 且厌氧发酵时间持续到第30 d, 累积产甲烷量分别为7444、7010、7207、4637 mL, 而Cu400处理第2 d开始产甲烷, 第28 d停止, 累积产甲烷量为3660 mL, Cu500处理第5 d开始产甲烷, 第27 d停止, 累积产甲烷量为2238 mL.可见不同浓度外源Cu的加入均不同程度地抑制了混合物料累积产甲烷量, 但Cu100、Cu200处理与CK差异不显著, 而Cu300、Cu400、Cu500处理的累积产甲烷量均显著低于CK (p≤0.05), 分别较CK降低37.7%、50.8%、70.0%.CK、Cu100、Cu200处理均在第3 d达到产甲烷高峰, 且Cu100、Cu200处理峰值(分别为902、950 mL)均低于CK (1003 mL), 但差异不显著, 而Cu300、Cu400、Cu500处理产甲烷高峰出现在第4~5 d, 峰值分别为665、535、373 mL, 均显著低于CK (p≤0.05).单位挥发性固体产甲烷量同样为Cu100、Cu200处理低于CK, 但差异不显著, 而Cu300、Cu400、Cu500处理均显著低于CK (p≤0.05).以上结果表明, 当混合物料中Cu浓度低于413.7 mg·kg-1时, 对厌氧发酵抑制作用不显著, 而混合物料中Cu浓度大于513.7 mg·kg-1时, 对厌氧发酵产生显著的抑制作用, 显著降低累积产甲烷量和挥发性固体产甲烷量.

表 3 不同Cu浓度猪粪与玉米秸秆混合物料的产甲烷特性 Table 3 Effects of different Cu concentration on the methane-producing characteristics of swine manure mixed with corn straw

表 4可知, 全部处理均在试验的第1 d开始产甲烷, 且厌氧发酵时间均持续到第30 d.CK、Zn100、Zn200处理累积产甲烷量分别为7444、7666、7350 mL, Zn100处理高于CK, Zn200处理低于CK, 但3者之间差异不显著, 而Zn300、Zn400、Zn500处理累积产甲烷量分别为6331、5714、4499 mL, 均显著低于CK (p≤0.05), 分别较CK降低15.0%、23.2%、40.0%.Zn400处理第2 d出现产甲烷高峰(峰值为535 mL), CK、Zn100、Zn500处理均在第3 d达到产甲烷高峰(峰值分别为1003、847、562 mL), Zn200、Zn300处理均在第5 d达到产甲烷高峰(峰值分别为837、782 mL), 但全部Zn处理产甲烷峰值均显著低于CK (p≤0.05).同样, 除Zn100处理外, 其余加Zn的处理均抑制了混合物料的单位挥发性固体产甲烷量, 且Zn100、Zn200处理与CK差异不显著, 而Zn300、Zn400、Zn500处理均显著低于CK (p≤0.05).以上结果表明, 当混合物料中Zn浓度低于500.6 mg·kg-1时, 对厌氧发酵抑制作用不显著, 甚至在400.6 mg·kg-1有一定的促进作用, 而Zn浓度大于600.6 mg·kg-1时, 对厌氧发酵产生显著的抑制作用, 显著降低累积产甲烷量和挥发性固体产甲烷量.

表 4 不同Zn浓度猪粪与玉米秸秆混合物料的产甲烷特性 Table 4 Effects of different Zn concentration on the methane-producing characteristics of swine manure mixed with corn straw

猪粪与玉米秸秆混合物料累积产甲烷量与Cu、Zn浓度的关系与拟合方程见图 2.由图 2可知, 随着混合物料中Cu、Zn浓度的增加, 累积产甲烷量总体上均呈现逐渐降低的趋势, 且在低浓度Zn时下降较缓慢.拟合方程中y1y2分别为不同浓度Cu、Zn处理混合物料的累积产甲烷量(mL), x1x2分别为混合物料中Cu、Zn浓度(mg·kg-1).由拟合方程可得出, 当混合物料中的Cu、Zn浓度分别为142.7 mg·kg-1和344.2 mg·kg-1时, 累积产甲烷量达到最大值, 分别为7640.1 mL和7571.5 mL.由此可以得出, 本试验猪粪玉米秸秆混合物料中Cu、Zn浓度分别低于142.7 mg·kg-1和344.2 mg·kg-1时, 随着Cu、Zn浓度的增加累积产甲烷量增加, 但当Cu、Zn浓度分别大于142.7 mg·kg-1和344.2 mg·kg-1时, 随着Cu、Zn浓度的增加累积产甲烷量降低, 这一结果与前面分析结论一致, 即Cu的起始抑制浓度低于Zn, 表明Cu对混合物料厌氧发酵的抑制作用强于Zn.

图 2 猪粪与玉米秸秆混合物料累积产甲烷量与重金属浓度的关系 Fig. 2 The relationship between the cumulative methane production and heavy metal concentration in the mixed material of pig manure and corn straw
3.2 不同浓度Cu、Zn处理厌氧发酵始末发酵液NH4+-N含量差异分析

图 3可知, 厌氧发酵起始, CK、添加Cu和Zn处理发酵液中的NH4+-N含量分别为416.7、359.6~401.8和361.5~401.5 mg·L-1.除Cu100处理与CK差异不显著外, 其余加Cu处理发酵液中的NH4+-N含量均低于CK (p≤0.05);就加Zn处理而言, 除Zn400处理与CK差异显著外(p≤0.05), 其余加Zn处理均与CK差异不显著.相对于CK, Zn400处理发酵液中的NH4+-N含量出现轻微减少现象.此研究结果与可欣等(2013)研究结果一致, 均表明了在厌氧发酵初期, 添加Cu可降低发酵液中的NH4+-N含量.究其原因, 可能是因为Cu、Zn与发酵体系中的多种酶形成金属络和物或金属鳌和物(Ensign et al., 1993Matainaho et al., 2001Seravalli et al., 2003Fernando et al., 2009).同时, 添加Cu元素降低了硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶的活性(Ferguson et al., 1994), 进而降低了发酵液中的NH4+-N含量.Cu100处理虽有降低发酵液中的NH4+-N含量的趋势, 但与CK相比较未达到显著水平(p≤0.05), 说明Cu的加入量尚未达到足以造成微生物生化过程发生质变的程度.总体来看, 厌氧发酵初始加Cu处理对NH4+-N浓度的影响远大于加Zn处理.

图 3 厌氧发酵始末发酵液NH4+-N含量(a. Cu处理; b.Zn处理) Fig. 3 The NH4+-N content in anaerobic fermentation liquid at the begin and the end of anaerobic fermentation (a. Cu, b. Zn)

厌氧发酵末期, CK、添加Cu、Zn处理发酵液中的NH4+-N含量分别升高到604.2、663.1~706.7和522.1~586.6 mg·L-1, 且以添加Cu处理升高幅度较大, 比发酵起始增加了65.06%~92.92%, 而添加Zn处理比发酵起始增加了43.52%~47.81%, CK增加45.05%, 添加Cu处理的升高幅度均显著高于CK (p≤0.05), 而添加Zn处理的升高幅度均与CK之间差异不显著.表明添加Cu、Zn使发酵液中NH4+-N含量均有不同程度的提高, 且Cu对发酵液中NH4+-N含量的提高作用强于Zn, 但NH4+-N含量对累积甲烷产生量没有良好的相关性, 因此, 当厌氧发酵液的NH4+-N含量低于706.7 mg·L-1时对厌氧发酵未产生明显的抑制作用.

3.3 不同浓度Cu、Zn处理厌氧发酵始末发酵液VFA浓度差异分析

VFA是厌氧发酵过程中有机物水解的产物, 同时也是产甲烷菌的利用底物, VFA浓度是评价水解酸化和产甲烷平衡的重要指标(Siegert et al., 2005Ye et al., 2008Zonta et al., 2013).由图 4可知, 厌氧发酵起始, CK、添加Cu和Zn处理发酵液中的VFA浓度分别为3762.4、3780.4~3893.7 mg·L-1和3709.6~3789.7 mg·L-1, 添加Cu和Zn处理发酵液中的VFA浓度均与CK差异不显著.随着厌氧发酵的进行, VFA在甲烷菌的作用下转化为甲烷, 从而使VFA浓度降低(Komemoto et al., 2009刘荣厚等, 2012余益辉等, 2015).厌氧发酵末期, CK、添加Cu、Zn处理发酵液中的VFA浓度分别下降到2195.3、2257.3~2437.2和2098.3~2341.4 mg·L-1, 添加Cu处理比发酵起始液降低了37.41%~41.50%, 添加Zn处理比发酵起始液降低了36.88%~44.63%, CK降低41.65%, 添加Cu、Zn处理的下降幅度均与CK之间差异不显著.表明添加Cu、Zn使发酵液中VFA浓度均有不同程度的下降, CK和Cu和Zn处理的VFA下降幅度差异均不显著, 且VFA下降幅度与累积甲烷产生量呈正相关, 即发酵液中的VFA降低幅度越大, 甲烷产生量越高.

图 4 厌氧发酵始末发酵液VFA浓度变化(a. Cu处理, b. Zn处理) Fig. 4 Changes of VFA concentration in anaerobic fermentation liquid at the begin and the end of anaerobic fermentation (a. Cu, b. Zn)
3.4 不同浓度Cu、Zn处理厌氧发酵始末发酵液pH值差异分析

甲烷菌对pH值较为敏感, 最适pH值范围为6.5~7.5之间(Lowe et al., 2010), 而当pH > 8或 < 6时甲烷菌活性受到严重抑制(Mosey et al., 1989李杰等, 2007).由图 5可知, 厌氧发酵起始, 不同处理的pH值均在6.9~7.4范围之内, 这为产甲烷菌提供了良好的生长环境, 而在厌氧发酵结束时, 不同处理的pH值升高为8.2~8.5, 并对厌氧发酵均产生抑制作用, 表明随着厌氧发酵的进行, 发酵体系中的VFA在甲烷菌的作用下转化为甲烷, 降低了发酵液酸的浓度, 同时, 含氮有机物分解代谢转化为氨氮, 总的结果是使发酵液pH值升高(白洁瑞等, 2009), 而较高的pH值抑制了甲烷菌的生长, 进而对厌氧发酵产甲烷产生抑制作用.此外, 由图 5还可以看出, 厌氧发酵初期和末期, CK和Cu和Zn处理的pH值差异均不显著, 说明了添加外源Cu、Zn对发酵液的pH值没有产生明显的影响.

图 5 厌氧发酵始末发酵液的pH值(a. Cu处理, b. Zn处理) Fig. 5 pH value in anaerobic fermentation liquid at the begin and the end of anaerobic fermentation (a. Cu, b.Zn)
3.5 不同浓度Cu、Zn处理与发酵料液中水解酶活性的关系

厌氧发酵是一个体系复杂的微生物化学代谢过程, 由3个连续的阶段组成, 第1阶段为水解阶段, 第2阶段为产氢产乙酸阶段, 第3阶段为产甲烷阶段(任南琪等, 2004), 水解阶段是整个发酵过程的开始, 水解过程的快慢决定着整个发酵过程的速度, 而纤维素酶、蔗糖酶、脲酶等活性的高低又决定着水解的速度, 因而水解酶活性与沼气产量存在着直接关系(张无敌等, 2003).厌氧发酵结束后, 不同处理Cu、Zn浓度与发酵料液中纤维素酶、蔗糖酶、脲酶活性的关系见表 5中的拟合方程, 其中, Y1Y2Y3分别为不同浓度Cu处理的发酵料液中纤维素酶活性、蔗糖酶活性和脲酶活性(mg·g-1·d-1);Y4Y5Y6分别为不同浓度Zn处理的发酵料液中纤维素酶活性、蔗糖酶活性和脲酶活性(mg·g-1·d-1);xCuxZn分别为发酵料液中Cu和Zn的浓度(mg·kg-1).由表 5可知, 厌氧发酵结束后, Cu、Zn浓度与发酵料液中的纤维素酶、蔗糖酶以及脲酶活性均呈显著性负相关(p≤0.05), 表明了Cu、Zn浓度是影响发酵料液中纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性的重要影响因素之一.

表 5 Cu、Zn浓度与发酵料液中纤维素酶、蔗糖酶、脲酶活性的拟合方程 Table 5 Fitted equations of Cu, Zn concentration and cellulase, sucrase, urease activities in anaerobic fermentation liquid
3.6 发酵料液中水解酶活性与累积产甲烷量的关系

厌氧发酵结束后, 发酵料液中的纤维素酶、蔗糖酶、脲酶活性与其累积产甲烷量的关系见表 6中的拟合方程, 其中, YCuYZn分别为不同CuZn浓度处理的累积产甲烷量(mL), x1、x2、x3为不同Cu浓度处理的纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性(mg·g-1·d-1), x4、x5、x6为不同Zn浓度处理的纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性(mg·g-1·d-1).由表 6可知, 不同Cu浓度处理发酵料液的纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性与其累积产甲烷量均呈显著正相关(p≤0.05);不同Zn浓度处理发酵料液的纤维素酶活性和蔗糖酶活性与均其累积产甲烷量呈显著正相关(p≤0.05), 脲酶活性与其累积产甲烷量相关性不显著.表明了厌氧发酵体系中纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性的高低会明显地影响其累积产甲烷量, 水解酶活性越高, 其累积产甲烷量就越高, 水解酶活性越低, 其累积产甲烷量就越低.

表 6 发酵料液中纤维素酶、蔗糖酶、脲酶活性与累积产甲烷量的拟合方程 Table 6 Fitted equations of the cellulase, sucrase, urease activities in anaerobic fermentation liquid and cumulative methane production
4 讨论(Discussion)

重金属的毒性作用是导致厌氧发酵过程不稳定或厌氧发酵失败的主要原因之一(Ye et al., 2008Jorge et al., 2015; 2016).本试验研究结果表明, 随着混合物料中Cu、Zn浓度的增加, 累积产甲烷量总体上均呈现逐渐降低的趋势, 这与陈琳等(2012)李轶等(2015)的研究结果基本一致.究其原因主要是因为随着混合物料中Cu、Zn浓度的增加, 改变了厌氧发酵过程中微生物群落的组成, 进而降低微生物群落对聚合物类碳源的转化与利用, 使累积甲烷产生量减少(郭星亮等, 2011).本试验研究结果还表明, Cu对厌氧发酵的毒害作用强于Zn, 这与Lin (1992;1993)、Wong等(1995)的研究结果一致.而Nicolau等(2001)则研究发现, Zn的毒性强于Cu, 这一结论与本试验结果相反.由此可见, 虽然同为厌氧发酵, 但因处理、发酵底物的差异使试验结果不同.本试验中, Cu对厌氧发酵的毒害作用强于Zn, 可能是由于参与厌氧发酵的菌群在营养需求、环境条件、生理生态、生长动力学等方面的巨大差异(Altas et al., 2009), 从而造成甲烷菌对Cu的敏感性强于Zn.本试验研究结果进一步表明, 随着混合物料中Cu、Zn浓度的增加, 累积产甲烷量总体上均呈现逐渐降低的趋势, 且Cu的影响更大.

大多数的水解酶都是蛋白酶, 而蛋白酶中含有与Cu、Zn等金属结合生成金属络和物或金属鳌和物的基团, 金属离子可以取代蛋白酶等生物大分子活性点位上原有的金属, 也可结合该分子的其他位置, 当有毒重金属离子与生物大分子活性点位或非活性点位结合后, 可以改变生物大分子正常的生理和代谢功能, 使生物体表现为中毒现象甚至死亡(郭星亮等, 2011Mudhoo et al., 2013).本试验研究结果表明, Cu、Zn浓度与发酵料液中的纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性均呈显著负相关(p≤0.05), 且高浓度的Cu、Zn会对纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性均产生抑制作用, 这与陈琳等(2012)的研究结果基本一致.究其原因, 高浓度的Cu、Zn使发酵料液中的微生物数量和群落结构发生变化, 不利于物料中水解酶相关类群微生物的生长.本试验研究结果还表明, Cu处理的纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性均与累积产甲烷量均呈显著正相关(p≤0.05);Zn处理的纤维素酶和蔗糖酶活性均与其均呈显著正相关(p≤0.05), 而脲酶活性与其相关性并不显著.这主要是因为在厌氧发酵过程中, 纤维素酶和蔗糖酶活性的提高, 可有效促进发酵料液中纤维素和蔗糖的分解, 为微生物的生长和发育提供足够的碳源和能源, 有利于甲烷的产生;而脲酶活性的提高会促进混合物料中氮素的转化, 导致发酵液中NH4+-N的积累.说明了在厌氧发酵过程中, 外源Cu、Zn通过影响发酵料液中纤维素酶、蔗糖酶和脲酶的活性, 进而影响累积产甲烷量.

由于时间和试验条件等原因, 本试验仅研究了单一重金属对厌氧发酵产甲烷特性的影响, 今后应研究多种重金属混合后对厌氧发酵的产甲烷特性以及厌氧发酵过程中各阶段混合物料中甲烷菌的生理活性和群落动态状况, 从而为有机固体废弃物的资源化利用提供有利的理论依据.

5 结论(Conclusions)

1) 厌氧发酵过程中, 随着混合物料中Cu、Zn浓度的增加, 累积产甲烷量总体上均呈现逐渐降低的趋势(除Zn100处理外), 当Cu < 413.7 mg·kg-1或Zn < 500.6 mg·kg-1时, 对厌氧发酵的作用不明显, 当Cu > 513.7、Zn > 600.6 mg·kg-1时, 对厌氧发酵产生显著的抑制作用, 且Cu对厌氧发酵的毒害作用强于Zn.

2) 当厌氧发酵液的NH4+-N含量低于706.7 mg·L-1时对厌氧发酵未产生明显的抑制作用.

3) 厌氧发酵液中的VFA下降幅度与累积甲烷产生量呈正相关.

4) Cu、Zn浓度与发酵料液中的纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性均呈显著负相关(p≤0.05).其中, Cu处理发酵料液中纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性与其累积产甲烷量均呈显著正相关(p≤0.05);Zn处理发酵料液中纤维素酶活性和蔗糖酶活性与其累积产甲烷量呈显著正相关(p≤0.05), 而脲酶活性与其累积产甲烷量相关性不显著.

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