曹燕篆,張海波,蘇婉,程紅艷,閆雙堆,卜玉山,崔宗均,李佳佳
(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山西 太谷030801;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所,天津300191;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,北京100193)
大豆是美國(guó)、巴西、中國(guó)和阿根廷等許多國(guó)家重要的糧食來源[1],2018年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,我國(guó)大豆種植面積高達(dá)8 413萬hm2,產(chǎn)量為1 596萬t。大豆收獲后會(huì)產(chǎn)生大量秸稈及豆莢殼,目前只有少量秸稈被用作生活能源及動(dòng)物飼料,大部分秸稈被直接丟棄或就地焚燒,不僅污染了環(huán)境,也極大地浪費(fèi)了資源[2]。厭氧消化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)有機(jī)固體廢物資源化利用和滿足可再生能源需求的重要措施[3]。
秸稈等木質(zhì)纖維素原料因其結(jié)構(gòu)致密復(fù)雜、抗微生物及酶分解能力強(qiáng),導(dǎo)致秸稈水解效率差、甲烷產(chǎn)量低,嚴(yán)重限制了秸稈沼氣的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。預(yù)處理技術(shù)是提高秸稈等木質(zhì)纖維素原料甲烷轉(zhuǎn)化效率的有效手段[4-5],常見的預(yù)處理方式包括物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理及生物預(yù)處理等。物理預(yù)處理主要是通過減小秸稈粒徑、提高比表面積,從而增加纖維素與微生物或酶的接觸幾率[6],如Dai等[7]將水稻秸稈粒徑從20 mm減小到0.075 mm,累積甲烷產(chǎn)量提高了84%?;瘜W(xué)預(yù)處理是利用化學(xué)試劑去除木質(zhì)素等難降解物質(zhì),以提高纖維素的酶解效率[8],如Xiong等[2]利用熱化學(xué)方法預(yù)處理大豆秸稈,甲烷產(chǎn)量提高了62%。生物預(yù)處理是利用具有木質(zhì)纖維素降解能力的功能微生物或酶,促進(jìn)秸稈的生物降解,提高秸稈的轉(zhuǎn)化效率[4]。與其他預(yù)處理方式相比,生物預(yù)處理具有能耗低、環(huán)境友好和能提高產(chǎn)甲烷菌活性等優(yōu)點(diǎn),備受研究者青睞。Yan等[9]利用復(fù)合菌系BYND-5預(yù)處理水稻秸稈,甲烷產(chǎn)量提高了20%;Deng等[10]利用木霉菌RUTC30預(yù)處理大豆及水稻秸稈混合物,累積甲烷產(chǎn)量提高了807%。
微生物復(fù)合系MC1是一組能夠有效降解秸稈木質(zhì)纖維素的復(fù)合菌群[11-14]。玉米、水稻、小麥等多種農(nóng)作物秸稈,經(jīng)其預(yù)處理水解作用后,原料厭氧消化產(chǎn)甲烷性能得到有效提高[15-17]。但MC1對(duì)木質(zhì)化程度較高的大豆秸稈預(yù)處理能力及產(chǎn)甲烷效率仍未可知,且預(yù)處理過程中雜菌對(duì)MC1菌群功能的影響仍不清楚。針對(duì)大豆秸稈木質(zhì)化程度高、能源轉(zhuǎn)化效率低等問題,本研究利用復(fù)合菌系MC1對(duì)滅菌大豆秸稈(SS)及未滅菌大豆秸稈(NSS)進(jìn)行12 d微生物預(yù)處理,分析大豆秸稈的水解特性及規(guī)律,揭示MC1預(yù)處理對(duì)其產(chǎn)甲烷性能的影響,從而為大豆秸稈的高效資源化利用提供依據(jù)。
復(fù)合菌系MC1由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院廢棄物資源利用研究室提供[18]。大豆秸稈取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)站,秸稈自然風(fēng)干后粉碎至5 mm左右。厭氧發(fā)酵接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室以牛糞為原料長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器,秸稈及接種物性質(zhì)見表1。
表1秸稈及接種物性質(zhì)Table 1 Characteristicsof the soybean straw and inoculumused in experiment
MC1預(yù)處理大豆秸稈試驗(yàn):向500 mL藍(lán)蓋瓶中加入200 mL PCS培養(yǎng)基和6 g大豆秸稈,(1)SS處理組為將含有大豆秸稈的培養(yǎng)基置于121℃下滅菌20 min,然后接種MC1活化菌;(2)NSS處理組為直接接種MC1活化菌。接種量均為10%V/V,接種后置于50℃培養(yǎng)箱靜置培養(yǎng)。以不添加復(fù)合菌系的SS和NSS為對(duì)照,進(jìn)行為期12 d的微生物預(yù)處理試驗(yàn)。每個(gè)處理重復(fù)3次,分別于預(yù)處理1、3、5、7、9、12 d取樣,測(cè)定大豆秸稈減質(zhì)量、木質(zhì)纖維素含量和預(yù)處理體系pH值、揮發(fā)性有機(jī)酸(VFAs)及溶解性化學(xué)需氧量(sCOD)含量。
預(yù)處理體系厭氧發(fā)酵試驗(yàn):以預(yù)處理體系VFAs產(chǎn)量和秸稈減質(zhì)量為依據(jù),獲得最佳MC1預(yù)處理時(shí)間。MC1預(yù)處理大豆秸稈試驗(yàn)表明預(yù)處理3 d和7 d VFAs產(chǎn)量最高,預(yù)處理12 d秸稈減質(zhì)量最多。因此將大豆秸稈按上述步驟進(jìn)行3、7 d及12 d的預(yù)處理,然后向預(yù)處理體系分別加入100 mL接種污泥,并添加去離子水補(bǔ)至發(fā)酵體積300 mL,混勻后充氮?dú)? min,確保發(fā)酵體系達(dá)到厭氧條件,置于(35±2)℃培養(yǎng)箱發(fā)酵。以不添加底物的接種污泥處理為空白,以未接種復(fù)合菌系的SS和NSS處理為對(duì)照,進(jìn)行大豆秸稈及其預(yù)處理體系的產(chǎn)甲烷性能評(píng)價(jià),每個(gè)處理重復(fù)3次,發(fā)酵過程中每日測(cè)定沼氣總產(chǎn)氣量及甲烷含量,發(fā)酵周期為23 d。
MC1預(yù)處理過程中的殘余秸稈于60℃烘干至恒質(zhì)量后稱量質(zhì)量,計(jì)算秸稈總減質(zhì)量。烘干后的秸稈粉碎過1 mm篩,稱取0.5 g至F57專用袋中,用ANKOM220型纖維分析儀測(cè)定纖維素、半纖維素及木質(zhì)素含量,方法參照儀器操作手冊(cè)。
預(yù)處理體系經(jīng)8 000 r·min-1離心10 min后測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。采用pH計(jì)(日本Horiba B-212)測(cè)定pH值,采用高效液相色譜儀(島津LC-20A,日本)測(cè)定揮發(fā)性有機(jī)酸[19],采用COD快速檢測(cè)儀(Lovibond E799718,德國(guó))測(cè)定sCOD[20]。
試驗(yàn)采用BMP-Test系統(tǒng)(WAL-BMP-Testsystem 3150,德國(guó))測(cè)定厭氧發(fā)酵瓶中壓力,根據(jù)壓力差計(jì)算日產(chǎn)沼氣量;利用氣相色譜(島津GC-2014,日本)測(cè)定沼氣中甲烷含量[21]。采用動(dòng)力學(xué)模型Modified Gompertz方程對(duì)各處理產(chǎn)甲烷數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[22],公式如下:
式中:M為t時(shí)刻的累積甲烷產(chǎn)量,mL·g-1VS;P為最大甲烷產(chǎn)量,mL·g-1VS;Rm為最大產(chǎn)甲烷速率,mL·g-1VS·d-1;λ為延滯期,d;P、Rm和λ均通過批式厭氧發(fā)酵試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得。
試驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析使用軟件Microsoft Excel 2010、Origin 9.1和SPSS 22.0。方差分析使用Duncan的多范圍檢驗(yàn),P<0.05為差異顯著。
MC1預(yù)處理過程中大豆秸稈減質(zhì)量如圖1A所示。秸稈經(jīng)過12 d的降解,SS和NSS總減質(zhì)量率分別為39.08%和34.29%,SS減質(zhì)量顯著高于NSS(P<0.05)。秸稈木質(zhì)纖維素成分變化如圖1B所示,大豆秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為47.20%、16.31%和22.48%,滅菌后略有下降,分別為42.60%、15.89%和21.72%,與滅菌前相比無顯著變化,說明滅菌對(duì)秸稈木質(zhì)纖維素成分的影響較小。12 d預(yù)處理結(jié)束后,NSS和SS的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解率分別為30.1%、41.6%、17.2%和41.7%、38.5%、29.9%,表明MC1在雜菌存在的條件下仍能有效降解大豆秸稈。
大豆秸稈預(yù)處理體系pH及sCOD變化如圖2所示,pH呈先下降后升高的趨勢(shì),其中SS預(yù)處理體系pH低于NSS(7 d除外),并在整個(gè)預(yù)處理過程中pH均維持在7.45以下。預(yù)處理3 d,SS與NSS體系sCOD的濃度均達(dá)到最大值,分別為5.87 g·L-1及5.39 g·L-1。預(yù)處理12 d,SS的sCOD濃度為4.51 g·L-1,顯著高于NSS(P<0.05),可能與MC1對(duì)SS纖維素降解效果顯著高于NSS有關(guān)(圖1B)。
圖2大豆秸稈預(yù)處理過程中水解液pH與sCOD的變化Figure 2 The changes of pH and sCODduring straw pretreatment
圖1復(fù)合菌系MC1預(yù)處理過程中大豆秸稈的減質(zhì)量及木質(zhì)纖維質(zhì)量變化Figure 1 Weight loss of soybean straw and weight of linocellulose composition during pretreatment by MC1
MC1預(yù)處理大豆秸稈過程中產(chǎn)生的主要揮發(fā)性有機(jī)酸變化如圖3所示。預(yù)處理體系有機(jī)酸總量整體呈先升高后降低的趨勢(shì),其中預(yù)處理12 d含量最低,說明預(yù)處理時(shí)間越長(zhǎng)有機(jī)酸損失越大,這與預(yù)處理后期秸稈降解速率減慢,有機(jī)酸產(chǎn)生量低于微生物消耗量有關(guān)。
SS預(yù)處理體系中總有機(jī)酸含量出現(xiàn)兩個(gè)峰值,分別是預(yù)處理第3 d(2.18 g·L-1)及第7 d(1.77 g·L-1),呈現(xiàn)出M型走勢(shì)。SS水解產(chǎn)物以乙酸為主,占VFAs總量的72.4%~93.5%,預(yù)處理3 d濃度最高為1.89 g·L-1,預(yù)處理體系中未檢測(cè)到丁酸。
NSS預(yù)處理體系VFAs總量在預(yù)處理第7 d達(dá)到最高,其中乙酸占比最大,但乙酸含量比SS預(yù)處理體系低23.1%~90.0%。由此可知,雜菌會(huì)影響MC1對(duì)大豆秸稈的降解速率及降解功能的穩(wěn)定,并減少了預(yù)處理體系中VFAs的積累。與SS不同,NSS預(yù)處理體系中丁酸占VFAs總量的5.7%~20.7%,可能與秸稈自身攜帶的雜菌有關(guān)。
由于大豆秸稈減質(zhì)量在預(yù)處理12 d最高,秸稈預(yù)處理體系VFAs產(chǎn)量在第3 d及第7 d達(dá)到最大,試驗(yàn)選用預(yù)處理3、7 d及12 d的預(yù)處理體系(分別記為d3、d7及d12)作為發(fā)酵底物,對(duì)大豆秸稈厭氧發(fā)酵性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。如圖4A、圖4B所示,預(yù)處理時(shí)間相同的情況下,經(jīng)過23 d的發(fā)酵,SS預(yù)處理體系累積產(chǎn)氣量均顯著大于NSS(P<0.05)。與未處理組(d0)相比,MC1 3 d預(yù)處理組累積產(chǎn)沼氣量及累積產(chǎn)甲烷量分別提高了34.13%及36.86%(SS)、20.65%及34.27%(NSS),其中SS-d3預(yù)處理體系獲得最大累積沼氣產(chǎn)量(499.09 mL·g-1VS)及累積甲烷產(chǎn)量(304.90 mL·g-1VS)。由此可見,MC1預(yù)處理能有效提高秸稈的產(chǎn)氣效率。
圖3秸稈預(yù)處理體系揮發(fā)性有機(jī)酸的變化Figure 3 Changes of VFAs antent of hydrolysate during straw pretreatment
不同預(yù)處理體系日產(chǎn)甲烷量如圖4C所示。在厭氧發(fā)酵第5 d,MC1預(yù)處理體系SS-d3及NSS-d3日產(chǎn)甲烷量率先達(dá)到峰值,分別為30.37 mL·g-1VS和32.12 mL·g-1VS。未經(jīng)MC1處理的對(duì)照組SS-d0和NSS-d0,在厭氧發(fā)酵第7 d達(dá)到峰值,分別為22.66 mL·g-1VS及20.96 mL·g-1VS,顯著低于秸稈3 d預(yù)處理體系。由此可見,MC1預(yù)處理在提高大豆秸稈累積甲烷產(chǎn)量的同時(shí),加快了甲烷轉(zhuǎn)化進(jìn)程。另外,12 d預(yù)處理體系日產(chǎn)甲烷量始終較低,可能是長(zhǎng)時(shí)間預(yù)處理過程中VFAs大量損失及產(chǎn)甲烷菌可利用底物減少所致。圖4D為大豆秸稈厭氧發(fā)酵過程中平均甲烷含量,除了NSS-d12預(yù)處理體系外,其他預(yù)處理體系的甲烷含量與對(duì)照組沒有顯著差異(P>0.05),均值為59.4%~64.4%。綜上,MC1預(yù)處理3 d能有效提高大豆秸稈產(chǎn)甲烷性能。
表2描述了大豆秸稈MC1預(yù)處理體系產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)特性。Modified Gompertz模型較好地?cái)M合了不同預(yù)處理體系的產(chǎn)甲烷特征(R2為0.991~0.999),大豆秸稈經(jīng)MC1預(yù)處理后,其產(chǎn)氣潛力提高了14.29%~73.67%(NSS-d12除外)。3 d預(yù)處理體系的最大產(chǎn)甲烷量(P)和最大產(chǎn)甲烷速率(Rm)數(shù)值最高,表明無論是否有雜菌的存在,復(fù)合菌系MC1都能有效提高大豆秸稈產(chǎn)甲烷率。但當(dāng)預(yù)處理時(shí)間超過7 d后酸化體系產(chǎn)甲烷的延遲時(shí)間(λ)延長(zhǎng),且高于對(duì)照處理組。因此,本研究MC1預(yù)處理大豆秸稈的時(shí)間不宜超過3 d。
大豆秸稈富含木質(zhì)纖維素,其結(jié)構(gòu)致密復(fù)雜,在能源轉(zhuǎn)化過程中效率較低。李家威等[23]以6種雜糧秸稈為原料進(jìn)行產(chǎn)甲烷試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)大豆秸稈累積產(chǎn)氣量最低。微生物預(yù)處理能夠有效提高木質(zhì)纖維素原料的產(chǎn)甲烷效率,但雜菌對(duì)主要功能菌的繁殖代謝具有一定的影響。經(jīng)過12 d MC1預(yù)處理,滅菌及非滅菌大豆秸稈總質(zhì)量分別減少了39.08%和34.29%,且SS半纖維素降解率低于NSS,預(yù)示MC1能夠在非滅菌條件下保持生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),進(jìn)而有效降解大豆秸稈。Hua等[24]的報(bào)道也證實(shí)了MC1在不滅菌的復(fù)雜環(huán)境中對(duì)秸稈具有較高的降解效率,而Yu等[14]的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)MC1能夠在非滅菌環(huán)境中促進(jìn)玉米秸稈的半纖維素分解。
圖4厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣結(jié)果Figure 4 Biogas production during anerobic fermentation
滅菌環(huán)境中MC1大豆秸稈預(yù)處理體系的有機(jī)酸產(chǎn)量呈現(xiàn)M型走勢(shì),乙酸含量最高且無丁酸產(chǎn)生,這與前人的研究結(jié)果較為一致[11,24-25]。同時(shí),本研究在非滅菌預(yù)處理體系中檢測(cè)到了丁酸,進(jìn)一步證實(shí)了秸稈水解過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸種類、濃度與微生物種類、溫度及有機(jī)物種類等因素相關(guān)[26-27]。Yan等[9]利用BYND-5預(yù)處理水稻秸稈發(fā)現(xiàn)水解液中丁酸含量最高,其次為丙酸和乙酸。Zhang等[28]利用高溫復(fù)合菌群預(yù)處理木薯渣發(fā)現(xiàn)前36 h水解液中丁酸產(chǎn)量最高,隨后乙酸濃度迅速增加。
大豆秸稈經(jīng)MC1預(yù)處理3 d,滅菌和非滅菌預(yù)處理體系比未處理的對(duì)照組累積產(chǎn)甲烷量分別提高了36.86%和34.27%,表明MC1菌群預(yù)處理有效提高了大豆秸稈的產(chǎn)氣效率。分析原因主要包括以下兩點(diǎn):一是菌群預(yù)處理增加了秸稈中纖維素成分的水解,提高了發(fā)酵體系VFAs含量和底物利用率;二是菌群預(yù)處理提高了厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷菌的活性,Zhao等[29]發(fā)現(xiàn)滅菌玉米秸稈經(jīng)復(fù)合菌群預(yù)處理后,厭氧發(fā)酵過程中甲烷鬃毛菌的活性明顯提高,該菌可直接利用乙酸生成甲烷。但增加預(yù)處理時(shí)間會(huì)降低產(chǎn)氣效率,Yuan等[11]的研究證實(shí)延長(zhǎng)預(yù)處理時(shí)間不利于有機(jī)酸積累及甲烷生產(chǎn),并且工程實(shí)際應(yīng)用中延長(zhǎng)酸化時(shí)間也不利于厭氧發(fā)酵的高效運(yùn)行[30]。
表2不同預(yù)處理體系大豆秸稈產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Kinetic parametersof pretreated soybean straw during ADprocess
(1)MC1能有效降解大豆秸稈,對(duì)滅菌秸稈纖維素及木質(zhì)素的降解量顯著高于未滅菌秸稈(P<0.05)。MC1預(yù)處理過程中,滅菌大豆秸稈預(yù)處理體系VFAs總量高于未滅菌大豆秸稈預(yù)處理體系,其中乙酸含量最高,占比72.4%以上。由于雜菌的影響,未滅菌大豆秸稈預(yù)處理體系VFAs累積速率減緩,乙酸組分占比減少,且有丁酸產(chǎn)生。
(2)滅菌大豆秸稈預(yù)處理體系累積產(chǎn)甲烷量顯著高于未滅菌大豆秸稈預(yù)處理體系,隨著MC1預(yù)處理時(shí)間增加,甲烷產(chǎn)量降低。經(jīng)過3 d的微生物預(yù)處理作用,滅菌大豆秸稈預(yù)處理體系和未滅菌大豆秸稈預(yù)處理體系獲得最高甲烷產(chǎn)量,分別為304.90 mL·g-1VS及257.41 mL·g-1VS,分別比未經(jīng)處理的滅菌秸稈和非滅菌秸稈提高了36.86%和34.27%。
(3)產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)分析表明大豆秸稈3 d預(yù)處理體系的最大甲烷產(chǎn)量和最大產(chǎn)甲烷速率均高于秸稈未處理對(duì)照組和其他秸稈預(yù)處理組,推薦MC1微生物菌群對(duì)大豆秸稈的最佳預(yù)處理時(shí)間為3 d。