黃文博，袁海榮，李秀金

(北京化工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100029)

Pleurotusostreatus(糙皮側(cè)耳，平菇)是栽培范圍最廣、產(chǎn)量最大的食用菌之一，能夠以秸稈為原料進(jìn)行栽培。P.ostreatus栽培結(jié)束后產(chǎn)生的大量廢棄物稱為菌糠(spent mushroom substrate, SMS)。2018年我國(guó)菌糠產(chǎn)量為1300萬(wàn)噸[1]。菌糠中殘留的木質(zhì)纖維素組分依然具有很高的甲烷轉(zhuǎn)化潛力，但由于子實(shí)體生長(zhǎng)過(guò)程改變了秸稈中木質(zhì)纖維素組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和含量，菌糠的厭氧消化性能仍需要進(jìn)一步研究。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)菌糠厭氧消化的研究主要針對(duì)菌糠與其他生物質(zhì)進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化。楊麗英[2]等對(duì)奶酪乳清、牛糞和菌渣3種底物進(jìn)行共厭氧消化產(chǎn)甲烷性能的研究，發(fā)現(xiàn)添加牛糞或同時(shí)添加牛糞和奶酪乳清均能提高菌糠的產(chǎn)甲烷性能。Luo[3]等采用3種菌糠與牛糞進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化，相較菌糠單獨(dú)厭氧消化，共消化甲烷產(chǎn)率提高6%～61%。由此可見(jiàn)，菌糠具有產(chǎn)甲烷潛力，但作為單一底物厭氧消化時(shí)，栽培過(guò)程的結(jié)構(gòu)改變和組分降解影響了其厭氧消化性能。有研究認(rèn)為，菌絲對(duì)秸稈的滲透以及其分泌的胞外聚合物對(duì)秸稈的附著也會(huì)抑制厭氧消化過(guò)程水解酶對(duì)菌糠中纖維素的作用[4-5]，影響菌糠甲烷轉(zhuǎn)化。堿預(yù)處理已被證明能夠去除秸稈中木質(zhì)素，促進(jìn)碳水化合物與木質(zhì)素的分離，水解半纖維素，降低纖維素聚合度和結(jié)晶度[6]。Li[7]等采用堿性過(guò)氧化氫(AHP)預(yù)處理玉米秸稈，木質(zhì)素去除率達(dá)到91.53%，葡萄糖酶水解得率提高至88.34%。Castro[8]等使用溫和堿處理方式(50℃～70℃，20～80 mg NaOH·g-1秸稈)處理稻草，能夠有效去除木質(zhì)素乙?；?，葡萄糖酶水解得率提高73%～89%。Liu[9]等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低溫堿法預(yù)處理能夠有效去除菌糠中殘留木質(zhì)素(67.6%)，提高酶水解效率(85.6%)，使葡萄糖產(chǎn)率提升。由此可見(jiàn)，堿預(yù)處理也能夠?qū)分械哪举|(zhì)素進(jìn)一步去除，水解其中的纖維素，提高厭氧微生物對(duì)菌糠的可利用性。

因此，本實(shí)驗(yàn)采用氨水-氫氧化鉀復(fù)合預(yù)處理方式對(duì)菌糠進(jìn)行預(yù)處理，提高其厭氧消產(chǎn)氣性能。并對(duì)預(yù)處理過(guò)程對(duì)菌糠的改性機(jī)制進(jìn)行機(jī)理分析，確定菌糠性質(zhì)、酶水解性能以及厭氧消化性能之間的聯(lián)系，為菌糠厭氧消化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料與接種物

實(shí)驗(yàn)所用菌糠為實(shí)驗(yàn)室中使用稻草、玉米秸和麥秸為原料，進(jìn)行45天P.ostreatus栽培后所得相應(yīng)菌糠。接種物為北京順義區(qū)以豬糞為原料，穩(wěn)定運(yùn)行的中溫沼氣站消化殘余物。接種物取回后靜置沉淀，去除上層清液后備用。原料和接種物基本性質(zhì)示于表1中。

表1 菌糠及接種物基本性質(zhì)*

1.1.2 處理試劑

實(shí)驗(yàn)所采用的處理試劑為分析純的氫氧化鉀(KOH)和氨水(NH3·H2O)(濃度25%)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 氨水-氫氧化鉀(氨-鉀)復(fù)合預(yù)處理

本實(shí)驗(yàn)綜合所在實(shí)驗(yàn)室之前的研究及文獻(xiàn)中所得結(jié)論[10]，將氫氧化鉀和氨水配按不同濃度制成2種混合溶液作為處理試劑。其中，氫氧化鉀添加量分別為菌糠干重(以TS計(jì))的2%或4%，氨水添加量(以NH3分子計(jì))為菌糠干重(以TS計(jì))的2%，添加水量為菌糠干重(以TS計(jì))的6倍。兩種混合溶液濃度分別計(jì)作2%NH3+2%KOH和2%NH3+4%KOH。將預(yù)處理試劑添加到菌糠中混合均勻，置于35℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)密封處理3天。

1.2.2 酶水解

對(duì)預(yù)處理前后菌糠的纖維素酶水解能力進(jìn)行測(cè)定，以此表征其在厭氧消化過(guò)程中對(duì)微生物產(chǎn)生的纖維素降解酶的抗性、可及性及反應(yīng)性。

1.2.3 厭氧消化

氨-鉀復(fù)合預(yù)處理3種菌糠分別作為厭氧消化原料，對(duì)照組為相應(yīng)的未經(jīng)預(yù)處理菌糠，接種污泥為空白(其產(chǎn)氣量在厭氧消化后被扣除)。厭氧消化實(shí)驗(yàn)采用1 L藍(lán)蓋瓶，工作體積800 mL。秸稈有機(jī)負(fù)荷為50 gTS·L-1，接種污泥有機(jī)負(fù)荷為15 gMLSS·L-1，pH值為7.0±0.2。35℃±2℃厭氧消化45天。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組均設(shè)3重復(fù)。

1.3 分析方法

1.3.1 基本性質(zhì)

總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)、懸浮固體濃度(MLSS)以及溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)根據(jù)American Public Health Association (APHA)中推薦的方法進(jìn)行[11]。有機(jī)元素含量(TC，TH，TO及TN)采用元素分析儀(Vario EL/micro cube elemental analyzer, Germany)進(jìn)行測(cè)定。pH值采用Thermo Orion 3-Star型pH計(jì)測(cè)定。木質(zhì)纖維素含量采用全自動(dòng)纖維分析儀(ANKOM 2000I)測(cè)定。揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)產(chǎn)率(包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸和異戊酸)采用氣相色譜(島津，GC2014)測(cè)定(DB-WAX123-7032毛細(xì)管柱，F(xiàn)ID檢測(cè)器)。厭氧消化過(guò)程產(chǎn)氣量采用排水法測(cè)定(標(biāo)況下計(jì)算)；所得氣體組分含量采用氣相色譜(北分，SP-2100A)測(cè)定(TDX-01填充柱，TCD檢測(cè)器)。

1.3.2 菌糠結(jié)構(gòu)測(cè)定

傅里葉變換紅外光譜分析(FTIR)采用KBr壓片法，通過(guò)傅立葉變換紅外光譜儀(Nicolet 6700)測(cè)定樣品的紅外光譜。

X射線衍射分析使用X射線衍射儀(XRD, Rigaku 2500VB2+PC)，掃面范圍5°～90°，纖維素結(jié)晶度由式(1)計(jì)算[4]：

CrI=I002-Iam/I002×100

(1)

式中：I002是2θ=22.8°時(shí)的最大衍射強(qiáng)度；Iam是2θ=18.4°時(shí)的最小衍射強(qiáng)度。

1.3.3 菌糠酶水解能力測(cè)定

纖維素酶水解率的測(cè)定方式參考Corrêa等所用方法[12,13]，計(jì)算方法如式(2)所示：

葡萄糖得率(%)=葡萄糖含量×0.9/秸稈中纖維素含量×100

(2)

菌糠對(duì)纖維素酶的抗性以及纖維素酶在秸稈上的反應(yīng)速率變化可以通過(guò)兩種動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，如式(3)和(4)[14]所示：

Y=A×ln(1+B×t)

(3)

Y=p×(t/K+t)

(4)

式中：Y為不同水解時(shí)間所得糖化率，%；t為水解時(shí)間，h；k=1/A，為速率常數(shù)；v0=A×B，為水解率，%·h-1；P為菌糠初始纖維素含量，%；K為達(dá)到最大纖維素水解量一半所需時(shí)間，h。

1.3.4 厭氧消化動(dòng)力學(xué)分析

BMP甲烷產(chǎn)率可進(jìn)行一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合分析厭氧消化產(chǎn)氣性能[15]，擬合方程如式(5)所示。

BMP(t)=BMPmax{1-exp[-k(t-θ)]}

(5)

式中(以VS計(jì))：BMP(t)為甲烷產(chǎn)率，mL·g-1;BMPmax為最大產(chǎn)甲烷潛力，mL·g-1；k為甲烷轉(zhuǎn)化速率常數(shù)，mL·g-1d-1；θ為延滯期，d。

菌糠中有機(jī)組分采用概化分子式CnHaOb表示[15]。理論甲烷產(chǎn)量是當(dāng)?shù)孜锿耆D(zhuǎn)化成甲烷時(shí)的最大體積(標(biāo)況)。菌糠的理論甲烷產(chǎn)量和生物降解性可由式(6)和式(7)得到。

(6)

BD=BMPexp/BMP0×100%

(7)

式中(以VS計(jì))：BD為生物降解性，%；BMP0為理論甲烷產(chǎn)率，mL·g-1；BMPexp為實(shí)驗(yàn)所得甲烷產(chǎn)率，mL·g-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨-鉀復(fù)合預(yù)處理效果研究

2.1.1 可溶性物質(zhì)變化

厭氧消化理論表明，水解速率會(huì)直接影響后續(xù)酸化、甲烷化階段的進(jìn)行，是厭氧消化的主要限制因素[16]。因此，對(duì)氨-鉀復(fù)合預(yù)處理前后菌糠可溶性組分含量變化進(jìn)行測(cè)定，分析預(yù)處理對(duì)菌糠水解性能的影響。

SCOD反映可溶性有機(jī)物含量。如表2所示，3種菌糠未處理時(shí)SCOD含量較低，表明菌糠所含可溶性有機(jī)物較少，在厭氧消化初始階段可水解性較低。經(jīng)2%NH3+2%KOH和2%NH3+4%KOH預(yù)處理后，菌糠預(yù)處理浸出液中SCOD含量分別可提升19.8%～47.4%和36.7%～50.4%。表明預(yù)處理能夠提高菌糠中有機(jī)物的降解，且隨KOH濃度的提升，作用更顯著。其中，2%NH3+4%KOH預(yù)處理玉米秸菌糠SCOD最高，預(yù)處理試劑對(duì)其作用最明顯。

還原糖是水解過(guò)程中微生物能夠直接利用的可發(fā)酵糖，能夠在酸化階段直接轉(zhuǎn)化為丙酮酸，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為VFAs后成為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸化階段底物。由表2可以看出，預(yù)處理能夠提高菌糠還原糖的溶出，2%NH3+2%KOH能夠使還原糖溶出量提高至未處理的1.7～2.4倍，而2%NH3+4%KOH能進(jìn)一步將溶出量提高至未處理的1.9～2.6倍。原料性質(zhì)可以看出，3種菌糠中仍有較高的半纖維素和纖維素含量，但未處理時(shí)還原糖溶出較低。預(yù)處理后其還原糖溶出量明顯提升，2%NH3+4%KOH預(yù)處理玉米秸菌糠還原糖含量最高，證明氨-鉀復(fù)合預(yù)處理對(duì)菌糠中纖維素、半纖維素能起到預(yù)水解作用，進(jìn)而提高厭氧消化產(chǎn)氣性能。

表2 預(yù)處理前后菌糠性質(zhì)*

VFAs濃度的提高可以在一定程度上增加產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段的底物濃度，促進(jìn)反應(yīng)正向進(jìn)行。由于預(yù)處理是在35℃進(jìn)行3天反應(yīng)，使得溶出物中有VFAs產(chǎn)生，相較未處理組有明顯提升，且隨著KOH濃度提高，VFAs產(chǎn)生越多(2%NH3+2%KOH提高至未處理的4.1～4.5倍，2%NH3+4%KOH提高至未處理的5.3～5.7倍。)，2%NH3+4%KOH預(yù)處理玉米秸菌糠VFAs含量最高，表明其在厭氧消化初始階段可提供更多的甲烷轉(zhuǎn)化底物。但VFAs含量并未高于13000 mg·L-1，因此不會(huì)在厭氧消化初始階段對(duì)產(chǎn)甲烷菌造成抑制作用，不會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]。此外，對(duì)預(yù)處理后菌糠浸出體系pH值進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)盡管體系VFAs含量提高，但系統(tǒng)pH值仍維持在7以上，呈弱堿性，表明由于NH3的添加，提高了體系的緩沖性，小分子有機(jī)酸可能是以其銨鹽形式存在，對(duì)厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較小。

2.1.2 結(jié)構(gòu)變化

本實(shí)驗(yàn)采用FTIR和XRD分析來(lái)研究氨-鉀復(fù)合預(yù)處理對(duì)菌糠結(jié)構(gòu)的影響(其中，2N+2K和2N+4K表示預(yù)處理試劑濃度，RSMS、CSMS和WSMS表示稻草、玉米秸和麥秸3種菌糠)。由圖1～圖3可以看出，氨-鉀復(fù)合預(yù)處理后，波數(shù)1729 cm-1和1515 cm-1處吸收峰消失；1166 cm-1處吸收峰明顯減弱，表明菌糠木質(zhì)素骨架結(jié)構(gòu)以及與半纖維素之間的連接結(jié)構(gòu)被破壞，部分半纖維素被降解。但1456 cm-1處吸收峰降解不明顯，且1322 cm-1和1635 cm-1處吸收有所增加，表明菌糠中殘留木質(zhì)素的單體結(jié)構(gòu)依然存在，且在骨架斷裂并且與半纖維素分離后更多的暴露出來(lái)。此外，1048 cm-1和1376 cm-1處吸收峰的減少表明纖維素與半纖維素之間的連接也發(fā)生斷裂，部分纖維素結(jié)晶區(qū)降解。由于堿對(duì)半纖維素的溶解作用顯著，可以推斷氨-鉀復(fù)合預(yù)處理主要是通過(guò)對(duì)菌糠中殘留半纖維素的溶解實(shí)現(xiàn)對(duì)木質(zhì)纖維素組分結(jié)構(gòu)分離，以及對(duì)纖維素結(jié)晶區(qū)的破壞，從而達(dá)到預(yù)水解作用，且2%NH3+4%KOH的作用更為顯著。

圖1 稻草菌糠不同預(yù)處理前后FTIR結(jié)構(gòu)變化

圖2 玉米秸菌糠不同預(yù)處理前后FTIR結(jié)構(gòu)變化

圖3 麥秸菌糠不同預(yù)處理前后XRD結(jié)構(gòu)變化

通過(guò)XRD對(duì)預(yù)處理前后菌糠中纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析(圖4～圖6)。發(fā)現(xiàn)2%NH3+2%KOH和2%NH3+4%KOH預(yù)處理分別使菌糠結(jié)晶度降低5.7%～6.9%和10.0%～15.3%，表明氨-鉀預(yù)處理能夠破壞菌糠中暴露的纖維素結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)，使其氫鍵網(wǎng)絡(luò)重排[17]，更易于水解，且隨著KOH濃度提高，這一作用更明顯。同時(shí)FTIR也顯示，暴露出的結(jié)晶纖維素也同時(shí)發(fā)生水解，使得菌糠中纖維素轉(zhuǎn)化為更易利用的低分子量多糖或單糖組分。此外，無(wú)定型態(tài)組分如半纖維素在預(yù)處理過(guò)程中水解更為明顯，這也能進(jìn)一步暴露更多的纖維素結(jié)構(gòu)。

圖5 玉米秸菌糠不同預(yù)處理前后XRD結(jié)構(gòu)變化

圖6 麥秸菌糠不同預(yù)處理前后XRD結(jié)構(gòu)變化

2.1.3 酶水解性變化

基于上述分析，認(rèn)為氨-鉀復(fù)合預(yù)處理主要通過(guò)提高菌糠中纖維素水解性來(lái)改善厭氧消化產(chǎn)氣性能，因此對(duì)預(yù)處理前后菌糠纖維素酶水解糖化率變化進(jìn)行驗(yàn)證分析。圖7所示數(shù)據(jù)點(diǎn)為預(yù)處理前后3種菌糠經(jīng)纖維素酶水解0～120 h所得葡萄糖產(chǎn)率?？梢钥闯?，隨水解時(shí)間延長(zhǎng)，葡萄糖轉(zhuǎn)化率逐漸降低，在120 h后速率趨近與零。預(yù)處理后3種菌糠在水解24 h后葡萄糖產(chǎn)率提高，最終葡萄糖得率也高于對(duì)應(yīng)的未處理組。2%NH3+4%KOH處理菌糠葡萄糖得率提升更明顯，達(dá)到7.2%～23.3%，表明氨-鉀復(fù)合預(yù)處理確實(shí)提高了菌糠中纖維素的水解率。其中，預(yù)處理后玉米秸菌糠葡萄糖得率最高，為28.5%，表明其纖維素水解性能最佳。

利用改良Henri-Michaelis-Menten酶解二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型所得擬合曲線[14]如圖7所示。擬合獲得表示菌糠與纖維素酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)P和K(圖8所示)。其中，P值反映木質(zhì)纖維素對(duì)纖維素酶的可及性，K值表示達(dá)到最大纖維素水解率一半時(shí)的水解時(shí)間。氨-鉀復(fù)合預(yù)處理后菌糠所對(duì)應(yīng)的水解動(dòng)力學(xué)P值增大，且隨著處理劑濃度的提升而進(jìn)一步提高。2%NH3+4%KOH預(yù)處理后3種菌糠P值提高9.0%～12.4%，表明3種菌糠中殘留纖維素對(duì)纖維素酶的可及性和可反應(yīng)性在此條件下得到最大提升。氨-鉀復(fù)合預(yù)處理對(duì)3種菌糠參數(shù)K值影響不同，稻草菌糠K值基本未發(fā)生改變，玉米秸和麥秸菌糠K值降低，且2%NH3+4%KOH預(yù)處理后降低明顯，分別為36.5%和31.0%，表明氨-鉀復(fù)合預(yù)處理后菌糠達(dá)到理論最大葡萄糖轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間減少，平均水解速率增大。

圖7 Nidetzky酶水解二級(jí)反應(yīng)模型擬合曲線

圖8 Nidetzky酶水解二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

利用Ohmine酶解動(dòng)力學(xué)模型所得擬合曲線[14]示于圖9中，擬合獲得表示菌糠與纖維素酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)v0和k(見(jiàn)圖10)。v0反映酶解反應(yīng)初始速率，k反映酶在秸稈上的失活速率。氨-鉀復(fù)合預(yù)處理未能提高稻草和玉米秸菌糠的酶解反應(yīng)初始速率，只有麥秸菌糠經(jīng)2%NH3+2%KOH和2%NH3+4%KOH預(yù)處理后v0提高至未處理時(shí)的2.9～3.5倍。此外，氨-鉀復(fù)合預(yù)處理后只有稻草菌糠的k值降低。這表明氨-鉀復(fù)合預(yù)處理并未提高菌糠中纖維素初始水解速率，且預(yù)處理后菌糠水解過(guò)程中纖維素酶的脫附率有一定程度的提升，這可能是由于堿金屬離子K+的存在占據(jù)了纖維素酶的吸附位點(diǎn)[18]，使得纖維素酶在改性菌糠上的脫附率有所提高。由于纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞，盡管有效吸附時(shí)間縮短，纖維素酶的有效水解效率仍有所提升，最終反映為預(yù)處理后菌糠纖維素水解率的增加。綜合兩種動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果認(rèn)為2%NH3+4%KOH預(yù)處理對(duì)玉米結(jié)菌糠酶水解的提升效果最佳。

圖9 Ohmine酶水解反應(yīng)模型擬合曲線

圖10 Ohmine酶水解反應(yīng)模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.2 氨-鉀復(fù)合預(yù)處理對(duì)菌糠厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響

2.2.1 產(chǎn)甲烷潛力

產(chǎn)甲烷潛力能夠直接反映氨-鉀復(fù)合預(yù)處理對(duì)菌糠厭氧消化性能的影響。表3所示為氨-鉀復(fù)合預(yù)處理3種菌糠及相應(yīng)對(duì)照組的甲烷產(chǎn)率和甲烷轉(zhuǎn)化速率。結(jié)果顯示，不同濃度條件下，氨-鉀復(fù)合預(yù)處理稻草、玉米秸和麥秸菌糠的甲烷產(chǎn)率分別為262 mL·g-1VS(2%NH3+2%KOH)和276 mL·g-1VS(2%NH3+4%KOH)，295 mL·g-1VS(2%NH3+2%KOH)和306 mL·g-1VS(2%NH3+4%KOH)，263 mL·g-1VS(2%NH3+2%KOH)和279 mL·g-1VS(2%NH3+4%KOH)，相較對(duì)照組分別提高了13.9%和20.0%，18.0%和22.4%，10.0%和16.7%。表明氨-鉀復(fù)合預(yù)處理能夠提高菌糠厭氧消化甲烷轉(zhuǎn)化率，且隨著KOH添加濃度的提高效果更明顯。

表3 不同預(yù)處理?xiàng)l件菌糠秸稈甲烷產(chǎn)率、生物降解率及動(dòng)力學(xué)參數(shù)

甲烷轉(zhuǎn)化速率同樣是表征底物厭氧消化性能的重要參數(shù)，可以間接反映厭氧消化水解階段的反應(yīng)速率。通過(guò)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合可以得到氨-鉀復(fù)合預(yù)處理對(duì)菌糠甲烷轉(zhuǎn)化速率的影響。經(jīng)過(guò)2%NH3+2%KOH處理后3種菌糠甲烷轉(zhuǎn)化速率提高了27.5%～80.8%，2%NH3+4%KOH處理后甲烷轉(zhuǎn)化速率提高了67.5%～145.0%。結(jié)合預(yù)處理后菌糠可溶性組分和結(jié)構(gòu)變化，以及酶水解性能的提升，可以推斷氨-鉀復(fù)合預(yù)處理通過(guò)對(duì)菌糠中木質(zhì)纖維素的預(yù)水解作用，提高其在厭氧消化水解階段的反應(yīng)速率，從而提高甲烷轉(zhuǎn)化速率和甲烷轉(zhuǎn)化率。隨著KOH濃度的升高，預(yù)處理作用更明顯。其中2%NH3+4%KOH預(yù)處理后玉米秸菌糠產(chǎn)氣性能提升最明顯，與預(yù)處理效果分析所得結(jié)論一致。

2.2.2 生物降解性

生物降解性能夠從另一方面反映氨-鉀復(fù)合預(yù)處理對(duì)菌糠產(chǎn)甲烷性能的影響。3種菌糠在不同預(yù)處理?xiàng)l件下的生物降解性示于表3中。

氨-鉀復(fù)合預(yù)處理后稻草菌糠生物降解性分別為81.9%和88.4%，比對(duì)照組分別提高27.4%和34.0%；相似的情況，預(yù)處理后玉米秸菌糠、麥秸菌糠的生物降解性分別為84.9%,93.3%和77.6%,84.4%，相較對(duì)應(yīng)的未處理組提高30.7%，39.1%和31.6%，38.4%。由此可見(jiàn)，氨-鉀復(fù)合預(yù)處理能夠明顯提高菌糠在厭氧消化過(guò)程中的生物降解性，即微生物對(duì)基質(zhì)的可利用程度，從而提高了最終的甲烷產(chǎn)率。隨著KOH濃度的提高，生物降解性提高更顯著(p<0.05)，并最終表現(xiàn)為基質(zhì)產(chǎn)甲烷率的提高。氨-鉀復(fù)合預(yù)處理本質(zhì)是堿預(yù)處理，其中KOH與NaOH作用相似，能夠使木質(zhì)素和半纖維素之間的糖醛連接結(jié)構(gòu)中的酯鍵發(fā)生皂化反應(yīng)，從而發(fā)生斷裂而生成羧酸和醇結(jié)構(gòu)[19]。這一過(guò)程能夠使菌糠中半纖維素溶解，提高菌糠在隨后厭氧消化中半纖維素的初始水解速率。此外，氨還可以使纖維素結(jié)晶區(qū)氫鍵減少，使氫鍵網(wǎng)絡(luò)重排，使其結(jié)構(gòu)向無(wú)定型纖維素接近，從而提升菌糠中剩余纖維素的水解速率和總水解率[17]。KOH添加濃度的提高能夠進(jìn)一步促進(jìn)這一作用。2%NH3+4%KOH預(yù)處理處理對(duì)玉米秸菌糠甲烷產(chǎn)率和生物降解性提高最明顯，這一結(jié)果也與氨-鉀復(fù)合預(yù)處理后菌糠性質(zhì)的變化一致。

3 結(jié)論

氨-鉀復(fù)合預(yù)處理通過(guò)預(yù)水解作用提高菌糠厭氧消化性能。2%NH3+4%KOH預(yù)處理?xiàng)l件效果更好，能夠溶解菌糠半纖維素，降解纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使稻草菌糠、玉米秸菌糠和麥秸菌糠結(jié)晶度指數(shù)分別降低10.0%，13.6%和15.3%。提高菌糠水溶性浸出物濃度，使稻草菌糠、玉米秸菌糠和麥秸菌糠SCOD含量分別提升50.4%，33.9%和36.7%；還原糖和VFAs含量分別提高至未處理的2.2，1.9，2.6倍和5.3，5.5，5.7倍。甲烷產(chǎn)率分別提高20.0%，22.4%和16.7%，甲烷轉(zhuǎn)化速率分別提高67.5%，145%和126.9%，生物降解性分別提高34%，39.1%和38.4%。氨-鉀復(fù)合預(yù)處理對(duì)玉米秸菌糠厭氧消化產(chǎn)氣性能提高效果更明顯。