張玉鵬,李建政*,劉鳳琴,劉 崇,2,施 恩(.哈爾濱工業(yè)大學(xué),城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 50090；2.民政部一零一研究所,北京 00070)

碳酸氫鹽對嗜氫和嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的影響機(jī)制

張玉鵬1,李建政1*,劉鳳琴1,劉 崇1,2,施 恩1(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090；2.民政部一零一研究所,北京 100070)

分別以H2/CO2和乙酸鹽為底物,研究了HCO3–濃度([HCO3–])對厭氧活性污泥中嗜氫產(chǎn)甲烷菌(HM)和嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌(AM)活性的影響,并從群落結(jié)構(gòu)、反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)等方面進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,0.05～0.20mol/L的[HCO3–]對HM的產(chǎn)甲烷活性具有刺激作用,刺激濃度隨著系統(tǒng)氫分壓的升高而降低.但高[HCO3–](0.05～0.20mol/L)對AM的產(chǎn)甲烷反應(yīng)有抑制作用.HM中的Methanobacterium formicium和AM中的Methanosarcina mazei是厭氧活性污泥的優(yōu)勢菌群.隨[HCO3–]的升高,M. formicicum的豐度逐漸增加,而M. mazei的豐度則呈現(xiàn)先增加([HCO3–]≤0.10mol/L)后降低([HCO3–]≥0.15mol/L)的趨勢.[HCO3–]可顯著改變發(fā)酵體系的pH值和產(chǎn)甲烷反應(yīng)的吉布斯自由能變化,進(jìn)而影響HM和AM的產(chǎn)甲烷效能.

厭氧活性污泥；碳酸氫鹽；產(chǎn)甲烷反應(yīng)；嗜氫產(chǎn)甲烷菌；嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌

高濃度有機(jī)廢水的厭氧生物處理,能耗低,且可回收CH4和H2等可再生能源,得到了廣泛研究和應(yīng)用,但也存在反應(yīng)速率低、處理時間長等不足,而且系統(tǒng)易受水質(zhì)水量變化的影響[1-2].如何進(jìn)一步提高厭氧處理系統(tǒng)的效能和運(yùn)行穩(wěn)定性,一直是厭氧生物處理技術(shù)的研究熱點(diǎn).

有機(jī)廢水的甲烷發(fā)酵是在產(chǎn)酸發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷等功能菌群的共同參與下完成的,一般可分為產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段[3].產(chǎn)酸發(fā)酵菌群和產(chǎn)甲烷菌群在生理生態(tài)特性上有顯著差別[4].如產(chǎn)酸發(fā)酵菌群可在pH值為4～10范圍內(nèi)生存[5-6],而產(chǎn)甲烷菌群的生長pH值為6.8～7.2[7].產(chǎn)甲烷菌是嚴(yán)格厭氧微生物,只能利用乙酸和一碳化合物進(jìn)行呼吸和生長,與產(chǎn)酸發(fā)酵菌群相比,產(chǎn)能效率低,生長緩慢,且對環(huán)境變化敏感,其產(chǎn)甲烷代謝被認(rèn)為是甲烷發(fā)酵過程的限速步驟[8].為維持甲烷發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,必須將產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的生長代謝水平限制在與產(chǎn)甲烷菌群相匹配的水平上,系統(tǒng)的處理效能因此受到了很大影響[9].

在厭氧生物處理系統(tǒng)中,碳酸氫鹽(HCO3–)既是嗜氫產(chǎn)甲烷菌(HM)的碳源,也是嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌(AM)的產(chǎn)物,對系統(tǒng)的 pH值還有調(diào)節(jié)作用[10].關(guān)于 HCO3–對厭氧消化系統(tǒng) pH值的調(diào)節(jié)作用已有大量報(bào)道,但就其對AM和HM的影響機(jī)制研究尚不夠深入[11-13].本文分別以H2/CO2和乙酸鈉為底物,在不同碳酸氫鹽濃度([HCO3–])下,對厭氧活性污泥進(jìn)行培養(yǎng),考察HM和AM的產(chǎn)甲烷代謝特征,并從特征微生物、反應(yīng)動力學(xué)和產(chǎn)甲烷反應(yīng)的熱力學(xué)等角度,探討[HCO3–]對厭氧活性污泥中產(chǎn)甲烷菌群的影響與機(jī)制,以期為厭氧生物處理系統(tǒng)的調(diào)控提供參考.

1 材料與方法

1.1 厭氧活性污泥

實(shí)驗(yàn)采用的厭氧活性污泥,取自本實(shí)驗(yàn)室的一個厭氧折流板反應(yīng)器(4格室)的第3格室.在進(jìn)水COD 8000mg/L、HRT 36h和35°C條件下,該格室的比產(chǎn)甲烷速率為 2.5L/(L·d)[14].用于測試的污泥樣品,其揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)和懸浮固體濃度(MLSS)分別為4.5和8.66g/L.

1.2 培養(yǎng)基

基礎(chǔ)培養(yǎng)基(mg/L):Na2HPO4·2H2O 530, KH2PO4410,NH4Cl 300,CaCl2·2H2O 110, MgCl2·6H2O 100,NaCl 300,FeCl2·4H2O 4.5, EDTA·Na21.65,微量元素液1mL,維生素液1mL, L-半胱氨酸 500,0.1%刃天青 1mL[15].其中,微量元素液(mg/L):H3BO450,ZnCl250,CuCl2·H2O 38, MnCl2·4H2O 50,CoCl2·6H2O 50,NiCl2·6H2O 92, Na2SeO3·5H2O 26,Na2WO4·2H2O 33,Na2MoO4?2H2O 24;維生素液(mg/L):生物素4,煙酸 40,維生素B6 10,維生素B2 20,維生素B1 40,維生素B12 20,葉酸 20,硫辛酸 40,對氨基苯甲酸 20.

乙酸培養(yǎng)基:在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入 20mmol/ L的乙酸鈉.

1.3 甲烷發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

對活性污泥的甲烷發(fā)酵測試,采用批式發(fā)酵方式進(jìn)行,發(fā)酵容器為 250mL的血清瓶.分別以乙酸鹽和H2/CO2為碳源的培養(yǎng)體系,均設(shè)置5個[HCO3–]梯度,即0、0.05、0.10、0.15和0.20mol/L,每個濃度下設(shè)置 3個重復(fù).乙酸培養(yǎng)基用氮?dú)獯得?15min后,每瓶分裝 100mL.在氮?dú)獗Ｗo(hù)下,按照設(shè)計(jì)濃度加入NaHCO3,并用NaCl將培養(yǎng)體系中的Na+調(diào)節(jié)至0.20mol/L,用1mol/L的HCl溶液將pH值調(diào)節(jié)為7.5后,接種5mL活性污泥,加蓋密封.采用相同操作,利用基礎(chǔ)培養(yǎng)基構(gòu)建以H2/CO2為碳源的培養(yǎng)體系.其中,每只血清瓶的培養(yǎng)基分裝劑量為 50mL,污泥接種量 2.5mL.加蓋密封前,用 H2/CO2(v/v=80/20)的混合氣吹脫5min.

所有培養(yǎng)體系構(gòu)建完成后,置于 37℃、150r/min的空氣浴恒溫?fù)u床中培養(yǎng).以乙酸鹽為碳源的培養(yǎng)體系,依照[HCO3–]依次編號為 A0、A0.05、A0.1、A0.15和A0.2,以H2/CO2為碳源的培養(yǎng)體系依次編號為H0、H0.05、H0.1、H0.15和H0.2.

培養(yǎng)過程中,對于以乙酸為碳源的培養(yǎng)體系,每2d測定一次產(chǎn)氣量和氣體組分,同時檢測液相的pH值和乙酸濃度;對于以H2/CO2為碳源的培養(yǎng)體系,每12h測定一次氣體組分,每24h測定一次pH值.

1.4 檢測方法

pH值、堿度(ALK,以CaCO3計(jì))、MLSS和MLVSS的檢測依照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行[16].其中,pH值檢測采用DELTA320型pH計(jì)(Mettler Toledo),生物量(MLSS和MLVSS)測定采用恒重法.氣體產(chǎn)量采用氣壓平衡法,以20mL玻璃注射器測量,并折算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(0°C,101.325kPa)下的體積.氣相組分(H2和CH4)和液相中的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)分別采用SP6800A型(TCD檢測器)和SP6890型(FID檢測器)氣相色譜儀(山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)檢測[14].

1.5 產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)分析

取培養(yǎng)前后的活性污泥進(jìn)行產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)分析.采用PowerSoil DNA試劑盒(Mo-Bio Laboratories Inc., CA, USA)提取活性污泥的基因組DNA,克隆文庫的構(gòu)建及T-RFLP分析參照文獻(xiàn)進(jìn)行[17].其中,T-RFLP所用的限制性內(nèi)切酶為HaeⅢ,PCR所用引物為古細(xì)菌通用引物,即: ARC8F(5′-YCYGKTTGATCCYGSCRG-3′) 和ARC931R(5′-CCCGCCAATTCCTTTHAG-3′).

1.6 數(shù)據(jù)分析

氣相中的H2和CH4體積百分?jǐn)?shù)、液相的乙酸濃度和pH值等數(shù)據(jù),均取3個平行培養(yǎng)體系的平均值.采用改進(jìn)后的 Gompertz模型[式(1)],對單位底物的甲烷累積產(chǎn)量(M(t),mmolCH4/mmol底物)進(jìn)行非線性擬合,并從中求得底物的理論甲烷產(chǎn)量(Pmax,mmolCH4/mmol底物)、最大產(chǎn)甲烷速率[Rmax,mmolCH4/(mmol底物?d)]和停滯期時間(λ,d)[18].

2 結(jié)果與分析

2.1 HCO3–影響下的H2/CO2產(chǎn)甲烷特征

如圖1a,在培養(yǎng)的前2.5d,不加HCO3–的厭氧活性污泥培養(yǎng)體系(H0),其H2轉(zhuǎn)化速率明顯高于投加了 HCO3–的培養(yǎng)體系(H0.05、H0.1、H0.15和H0.2).H0氣相中的H2,由初始的34.2mmol/L降低到第2.5d的25.2mmol/L,而此后則表現(xiàn)出較其他培養(yǎng)體系更低的H2轉(zhuǎn)化速率.

隨著 H2的消耗,發(fā)酵體系的 M(t)不斷增加.如圖1b所示,在培養(yǎng)初期,H0的M(t)明顯高于投加了HCO3–的培養(yǎng)體系,但自2.5d以后,其M(t)增加緩慢,且明顯低于另外4組投加了HCO3–的培養(yǎng)體系.至第6d培養(yǎng)結(jié)束時,H0.05、H0.1、H0.15和 H0.2利用 H2/CO2的 M(t)分別平均為 0.21、0.21、0.24和 0.24mmolCH4/mmolH2,均高于 H0的0.20mmolCH4/mmolH2.可見,一定濃度的HCO3–對厭氧活性污泥中的 HM活性具有明顯的刺激作用.由于培養(yǎng)體系的底物為乙酸或 H2/CO2,甲烷發(fā)酵過程表現(xiàn)為產(chǎn)堿發(fā)酵[19].但各培養(yǎng)體系的pH值在培養(yǎng)過程中的變化均不顯著(圖1c),說明各系統(tǒng)均具有良好的酸堿緩沖能力[20].

圖1 厭氧活性污泥利用H2/CO2的產(chǎn)甲烷特征Fig.1 Performance of anaerobic activated sludge in methane production from H2/CO2

2.2 HCO3–影響下的乙酸產(chǎn)甲烷特征

如圖2a所示,以乙酸為惟一碳源的所有培養(yǎng)體系中,乙酸含量在培養(yǎng)初期均有所升高,其原因可能是部分活性污泥微生物無法適應(yīng)新環(huán)境而死亡,其細(xì)胞融解所釋放的有機(jī)物在產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的作用下產(chǎn)生了乙酸[21].未添加 HCO3–的 A0,在 21d內(nèi)可將乙酸完全轉(zhuǎn)化,乙酸降解速率顯著高于另外 4組投加 HCO3–的培養(yǎng)體系(A0.05、A0.1、A0.15和A0.2).隨著[HCO3–]提高,A0.05、A0.1、A0.15和A0.2的λ依次延長,在對數(shù)期表現(xiàn)出的最大乙酸降解速率依次降低,表明過高的[HCO3–]會抑制乙酸的產(chǎn)甲烷作用.值得關(guān)注的是,所有以乙酸為惟一碳源的培養(yǎng)體系表現(xiàn)出了一個共同特征,即:當(dāng)體系的乙酸濃度降低到5mmol/L以下時,厭氧活性污泥對乙酸的降解速率明顯降低,這可能與不同種屬的AM所適宜的乙酸濃度存在差異有關(guān)[22].

圖2 厭氧活性污泥利用乙酸的產(chǎn)甲烷特征Fig.2 Performance of anaerobic activated sludge in methane production from acetate

隨著乙酸的消耗,培養(yǎng)體系的 M(t)不斷增加.由圖2b可知,A0的M(t)增加最快,在第21d時達(dá)到峰值.[HCO3–]為0.05和0.1mol/L的培養(yǎng)體系,與未投加HCO3–的A0相比,其停滯期明顯延長,其M(t)也明顯降低,但最終的M(t)與A0的相當(dāng).在[HCO3–]為0.15和0.2mol/L時,活性污泥代謝的停滯期更長,其最終M(t)明顯低于A0、A0.05和A0.1.以上結(jié)果表明,在0.05～0.2mol/L的范圍內(nèi),[HCO3–]越高,對嗜乙酸產(chǎn)甲烷作用的抑制程度越高.

[HCO3–]的提高可顯著提升系統(tǒng)對pH值變化的緩沖能力.如圖 2c所示,在[HCO3–]≥0.05mol/L的培養(yǎng)體系中,其發(fā)酵過程的 pH值并無顯著變化,而未添加HCO3–的A0,其pH值則有顯著升高.

2.3 HCO3–對產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)的影響

如圖3a所示,在作為接種物的厭氧活性污泥中,檢測出4種豐度顯著的產(chǎn)甲烷菌,包括79.2%的產(chǎn)甲烷桿菌(Methanobacterium formicium)、2.4%的產(chǎn)甲烷八疊球菌(Methanosarcina mazei)、11.0%的產(chǎn)甲烷絲狀菌(Methanosaeta concilii)和7.3% 的 產(chǎn) 甲 烷 絲 狀 菌 (Methanosaeta harundinacea).其中,M. formicium為專性HM,M. concilii和 M. harundinacea為專性 AM,而 M.mazei即可利用乙酸也可利用H2/CO2產(chǎn)甲烷.以H2/CO2為惟一碳源進(jìn)行培養(yǎng)時,無論是否添加HCO3–,活性污泥中 M. formicium的豐度均保持在 70%以上.而接種污泥中的 M. mazei、M. concilii和M. harundinacea等優(yōu)勢菌群,在不添加HCO3–的條件下(H0)培養(yǎng)后則不能檢出.在[HCO3–]分別為0.05和0.1mol/L條件下培養(yǎng)后的活性污泥中,除了能檢測到 M. formicium 和 M. harundinacea外,還能夠檢測到未知古細(xì)菌198bp.當(dāng)[HCO3–]≥0.15mol/L時,培養(yǎng)后污泥中的 M. formicium豐度較[HCO3–]≤0.1mol/L的培養(yǎng)體系有顯著降低,而未知古菌58bp則大量增加.

研究表明,M. formicium沒有細(xì)胞色素,能夠利用低濃度的H2較快生長,而M. mazei具有細(xì)胞色素,無法在氫分壓(PH2)較低的環(huán)境中生存[23].圖 1a的結(jié)果顯示,隨著培養(yǎng)時間的延續(xù),各系統(tǒng)氣相中的H2濃度均呈現(xiàn)迅速下降趨勢,培養(yǎng)結(jié)束時幾乎消耗殆盡.如圖 3a所示,在[HCO3–]≥0.15mol/L的以H2/CO2為惟一碳源的培養(yǎng)體系中,培養(yǎng)前后均能檢測到 M. mazei的存在.但[HCO3–]≤0.1mol/L時,在培養(yǎng)后的活性污泥中無法檢測到 M. mazei.可見,[HCO3–]的提高,有利于M. mazei在低PH2下的生長.[HCO3–]分別為0.05、0.1和0.15mol/L的培養(yǎng)體系,其pH值均維持在7.4～7.8(圖 1c),恰是 M. formicicum生長的最適pH[24-25].因此,這3個培養(yǎng)體系表現(xiàn)出了較其他以H2/CO2為碳源的培養(yǎng)體系更高的Rmax(表1).

以乙酸為惟一碳源時,在培養(yǎng)后的活性污泥中,除了M. formicium、M. mazei、M. concilii和M. harundinacea等優(yōu)勢菌群外,還檢測到了未知的 58bp、80bp和 198bp等古細(xì)菌(圖 3b).隨著[HCO3–]的提高,活性污泥中M. formicium豐度隨之升高,而 M. harundinacea豐度保持穩(wěn)定,M. concilii豐度則有所降低.在[HCO3–]≤0.1mol/L的培養(yǎng)體系中,其M. mazei豐度沒有顯著差異.然而,當(dāng)[HCO3–]依次提高為0.15和0.2mol/L時,培養(yǎng)后活性污泥中的 M. mazei豐度隨之降低. Methanosarcina和Methanosaeta雖同屬AM,但在生理生態(tài)和生理生化習(xí)性上存在較大差異. Methanosarcina能夠生成具有保護(hù)作用的莢膜,可以適應(yīng)惡劣的生存環(huán)境,而Methanosaeta對環(huán)境變化較敏感[26].研究發(fā)現(xiàn),M. concilii和 M. harundinacea生長的適宜 pH 值范圍分別是7.1～7.5和7.2～7.6,而M. mazei的適宜pH值范圍較廣,為4.0～9.0[27-28].如圖2c所示,在以乙酸為惟一碳源的培養(yǎng)體系中,其pH值均保持在8.0以上的水平,對 Methanosaeta的生長是不利的,而對M. mazei是比較適宜的.因此,經(jīng)過培養(yǎng),活性污泥中M. concilii和M. harundinacea的豐度顯著降低,而M. mazei的豐度變化并不明顯.

圖3 以H2/CO2(a)或乙酸(b)為碳源培養(yǎng)的厭氧活性污泥的優(yōu)勢菌群相對豐度Fig.3 Relative abundance of dominant microbial communities in anaerobic activated sludge after been cultured with H2/CO2(a) or acetate (b) as carbon source

Methanosarcina和 Methanosaeta在增殖和乙酸利用能力上也存在差異.Methanosarcina利用乙酸激酶-磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶將乙酸轉(zhuǎn)化為乙酰CoA,但只有在乙酸濃度達(dá)到1mmol/L以上時才能發(fā)生,最大比生長速率(μmax)可達(dá)0.06h-1[22,29-30].而Methanosaeta利用乙酰CoA合成酶合成乙酰CoA,只能利用低濃度的乙酸,當(dāng)乙酸濃度大于20μmol/L時,嗜乙酸產(chǎn)甲烷反應(yīng)就會受到抑制, μmax只有0.032h-1[30-31].因此,在圖2a中可以觀察到,當(dāng)培養(yǎng)體系中的乙酸濃度降低到5mmol/L以下后,活性污泥利用乙酸的速率明顯降低.

乙酸的甲烷轉(zhuǎn)化包括 2種代謝途徑:一是AM 分解乙酸生成甲烷;二是互營乙酸氧化菌(SAOB)將乙酸分解為H2/CO2,而后再被HM利用而生成甲烷[32].所以,以乙酸為惟一碳源培養(yǎng)時,在活性污泥中仍能檢測到大量的嗜氫產(chǎn)甲烷菌M. formicicum(圖3b).如前所述,HM較AM有更加寬泛的生長 pH值,當(dāng) pH值達(dá)到 8.0以上時,AM 就會受到抑制,系統(tǒng)中的乙酸將主要被SAOB和HM利用并產(chǎn)生甲烷[33].可見,HCO3–可以通過改變或維持系統(tǒng)的pH值對厭氧活性污泥的產(chǎn)甲烷特性產(chǎn)生影響.Lin等[34]在研究葡萄糖高溫甲烷發(fā)酵中也發(fā)現(xiàn),高水平的[HCO3–]能抑制Methanosaeta的生長,卻可促進(jìn)HM的生長.

2.4 甲烷發(fā)酵的動力學(xué)分析

以式(1)對測得的單位底物的 M(t)進(jìn)行非線性擬合,求得厭氧活性污泥在不同[HCO3–]下的Pmax、Rmax和λ.如表1所示,在以H2/CO2為碳源時(表1),[HCO3–]為0.15mol/L的培養(yǎng)體系H0.15,其Rmax顯著高于其余4組,其Pmax雖略低于H0.2,但明顯高于H0、H0.05和H0.1.比較而言,[HCO3–]為 0.1mol/L的培養(yǎng)體系 H0.1其 λ最短,為2.616d.當(dāng)[HCO3–]繼續(xù)升高時,培養(yǎng)體系的λ顯著延長,說明產(chǎn)甲烷菌群在[HCO3–]≥0.15mol/L條件下,需要較長的調(diào)整適應(yīng)期.

對于以乙酸為碳源的培養(yǎng)體系(表2),未添加HCO3–的培養(yǎng)體系A(chǔ)0,其λ(7.305d)顯著低于添加了 HCO3–的培養(yǎng)體系(≥16.97d),其 Rmax[0.053mmolCH4/(mmol乙酸?d)]則顯著高于添加了HCO3–的培養(yǎng)體系[≤0.023mmolCH4/ (mmol乙酸?d)].這一結(jié)果表明,隨著[HCO3–]的提高,乙酸的Pmax增加,但Rmax隨之降低,且λ延長.因此,要使厭氧活性污泥中的AM維持良好的代謝活性,需要將反應(yīng)系統(tǒng)的[HCO3–]維持在 0.05mol/L以下的水平.

表1 厭氧活性污泥以H2/CO2為碳源的甲烷發(fā)酵動力學(xué)特征參數(shù)Table 1 Methane fermentation kinetic parameters of anaerobic activated sludge with H2/CO2as carbon source

表2 厭氧活性污泥以乙酸為碳源的甲烷發(fā)酵動力學(xué)特征參數(shù)Table 2 Methane fermentation kinetic parameters of anaerobic activated sludge with acetate as carbon source

2.5 甲烷發(fā)酵的熱力學(xué)分析

在厭氧消化系統(tǒng)中,AM 在利用乙酸產(chǎn)甲烷時也會生成HCO3–[式(2)].而HM可以H2作為電子供體,將HCO3–還原為甲烷[式(3)].可見,向甲烷發(fā)酵系統(tǒng)投加HCO3–可以刺激 HM的產(chǎn)甲烷反應(yīng),同時也可能抑制AM的產(chǎn)甲烷作用.

如式(2)和式(3)所述的反應(yīng),其實(shí)際吉布斯自由能變化(ΔG)受底物和產(chǎn)物濃度影響[35].對于一般反應(yīng)a[A] + b[B] = c[C] + d[D],可利用式(4)計(jì)算不同[HCO3–]下的ΔG,即

式中:R為常數(shù),8.29J/(mol?K);T是絕對溫度,K.

圖4 產(chǎn)甲烷反應(yīng)的吉布斯自由能變化Fig.4 Change in Gibbs free energy for methanogenic reaction

由式(4)對以H2/CO2或乙酸為惟一碳源的厭氧活性污泥系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷反應(yīng) ΔG分別計(jì)算,結(jié)果如圖4所示.在以H2/CO2為惟一碳源的甲烷發(fā)酵體系中(圖4a),ΔG隨PH2的降低而增加.在無外加HCO3–的體系中,其ΔG最高.HCO3–的添加,則可減少嗜氫產(chǎn)甲烷反應(yīng)的 ΔG,且 HCO3–劑量越高,ΔG減少的幅度越大.如表1所示的結(jié)果顯示,隨著[HCO3–]的提高,以 H2/CO2為碳源的培養(yǎng)體系的 Rmax也隨之增加.可見,提高系統(tǒng)的[HCO3–]能夠降低嗜氫產(chǎn)甲烷反應(yīng)的 ΔG,進(jìn)而促進(jìn)活性污泥的嗜氫產(chǎn)甲烷活性.對于以乙酸為惟一碳源的培養(yǎng)體系(圖4b),隨著乙酸濃度的降低,其產(chǎn)甲烷反應(yīng)的 ΔG隨之升高,而 HCO3–的添加則顯著提高了ΔG.也就是說,提高[HCO3–]對嗜乙酸產(chǎn)甲烷反應(yīng)具有抑制效應(yīng).

4 結(jié)論

4.1 [HCO3–]可改變甲烷發(fā)酵系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)與代謝活性,進(jìn)而影響系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷效能.以H2/CO2為惟一碳源時,[HCO3–]的增加可提高厭氧活性污泥中M. mazei和M. concilii的數(shù)量,而以乙酸為惟一碳源時,提高[HCO3–]能夠增加 M. formicium的數(shù)量.

4.2 0.15～0.20mol/L的[HCO3–]可有效降低嗜氫產(chǎn)甲烷反應(yīng)的ΔG,刺激嗜氫產(chǎn)甲烷菌的代謝活性.

4.3 [HCO3–]的升高,會提高嗜乙酸產(chǎn)甲烷反應(yīng)的ΔG,對嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌活性具有顯著抑制作用.

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Mechanisms of bicarbonate's effect on hydrogenotrophic and aceticlastic methanogens.

ZHANG Yu-peng1, LI Jian-zheng1*, LIU Feng-qin1, LIU Chong1,2, SHI En1(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.The 101 Research Institute of the Ministry of Civil Affairs, Beijing 100070, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1937～1944

Effect of bicarbonate concentration ([HCO3–]) on hydrogenotrophic methanogens (HM) and aceticlastic methanogens (AM) in anaerobic activated sludge was investigated with H2/CO2and acetate as the sole carbon source, respectively. The mechanisms of bicarbonate's effect on methane formation was analysed based on the methane production efficiency, community structure of methanogens, reaction kinetics and thermodynamics. The results showed that [HCO3–] ranged from 0.05 to 0.20 mol/L could stimulate the activity of HM, and the higher hydrogen partial pressure, the lower [HCO3–] for the stimulation. An increased [HCO3–], on the contrary, would inhibit the methanogenesis of AM. Methanobacterium formicium and Methanosarcina mazei were identified as the dominated HM and AM, respectively, in the incubated anaerobic active sludge. It was found that the abundance of M. formicicum was enhanced by the increased [HCO3–] in the fermentation systems. The abundance of M. mazei was also improved by a [HCO3–] less than 0.10mol/L, but decreased with the [HCO3–] over than 0.15mol/L. Variation of [HCO3–] could significantly change the pH and Gibbs free energy of the methanogenic reactions in the fermentation processes, and the methanogenesis activities of HM and AM were further affected as a result.

anaerobic activated sludge；bicarbonate；methanogenesis；hydrogenotrophic methanogen；aceticlastic methanogen

X172

A

1000-6923(2017)05-1937-08

張玉鵬(1988-),男,河南新鄉(xiāng)人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)閰捬鯊U水處理.

2016-10-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478141);城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))自主課題(2016DX06)

* 責(zé)任作者, 教授, ljz6677@163.com