馬力通 郝思雯 王亞雄，3 姬心悅

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，014010 內(nèi)蒙古包頭；2.生物煤化工綜合利用內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心，014010 內(nèi)蒙古包頭；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤化工與煤炭綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，014010 內(nèi)蒙古包頭)

0 引 言

我國(guó)褐煤資源儲(chǔ)量豐富，但由于其煤化程度低，用作發(fā)電原料使用時(shí)，利用率低且易對(duì)環(huán)境造成污染。褐煤中氧含量及側(cè)鏈官能團(tuán)較多，適合微生物轉(zhuǎn)化利用[1]，因此，利用厭氧微生物的幫助生產(chǎn)生物甲烷，是褐煤資源高效清潔利用的研究方向之一。

目前褐煤生物轉(zhuǎn)化存在甲烷產(chǎn)率低的問(wèn)題，限制了褐煤的有效利用，而厭氧發(fā)酵由產(chǎn)甲烷菌等厭氧微生物協(xié)同互作完成，從微生物生長(zhǎng)的角度增加產(chǎn)氣量值得深入研究[2-4]。已有文章報(bào)道低濃度稀土元素有利于增強(qiáng)微生物活性，而添加量過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生抑制作用[5]，這種“低促高抑”的現(xiàn)象被稱為Hormesis效應(yīng)[6]，且不同種類稀土元素對(duì)不同微生物的影響也不盡相同[7]。柴瑞娟等[8]報(bào)道了Ce3+和La3+對(duì)枯草芽孢桿菌細(xì)胞生長(zhǎng)的影響，結(jié)果顯示兩種元素添加量分別為200 mg/L時(shí)，菌株活性最高。GE et al[9]發(fā)現(xiàn)Nd3+，La3+和Ce3+對(duì)Arnebiaeuchroma活性的影響呈先增強(qiáng)后變?nèi)醯内厔?shì)，Nd3+，La3+和Ce3+添加量分別為0.1 mmol/L，0.02 mmol/L和0.1 mmol/L時(shí)，菌株生長(zhǎng)最好。ZHANG et al[10]研究了La3+對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度的La3+會(huì)抑制大腸桿菌攝取外源 DNA，影響其生長(zhǎng)效果。NAKAGAWA et al[11]發(fā)現(xiàn)添加La3+后菌株生長(zhǎng)正常同時(shí)甲醇脫氫酶(methanol dehydrogenase，MDH)活性得到增強(qiáng)，并首次提出稀土元素作為一個(gè)輔因子影響微生物代謝途徑及代謝過(guò)程中的酶。目前稀土化合物對(duì)混菌發(fā)酵，特別是以褐煤為底物的生物甲烷轉(zhuǎn)化的影響研究未見報(bào)道。為探索稀土元素對(duì)褐煤生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷的影響，外加不同質(zhì)量濃度的LaCl3和NdCl3，考察稀土元素對(duì)褐煤生物甲烷發(fā)酵過(guò)程中日產(chǎn)氣量、總產(chǎn)氣量、pH值、脫氫酶活性和乙酸質(zhì)量濃度的影響，為提高褐煤基生物甲烷產(chǎn)量探索新途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

活性污泥源于包頭市南郊污水處理廠，經(jīng)厭氧馴化后，儲(chǔ)存于4 ℃的冰箱中。褐煤購(gòu)自內(nèi)蒙古赤峰市平莊煤礦，其工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。

表1 平莊褐煤的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of Pingzhuang lignite

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)(AMPTSⅡ)，先將40 g粉碎至粒徑為0.065 mm(過(guò)60目篩)的褐煤和200 mL厭氧活性污泥加入發(fā)酵瓶中，然后分別添加不同質(zhì)量濃度的LaCl3(見表2)和NdCl3(見表3)，調(diào)節(jié)初始pH值為7.0，加蒸餾水至400 mL，最后通氮?dú)怛?qū)除空氣120 s以提供厭氧條件，發(fā)酵溫度為50 ℃。在反應(yīng)過(guò)程中，攪拌通過(guò)電機(jī)自動(dòng)控制，每次攪拌1 min，間隔30 min進(jìn)行一次。儀器自動(dòng)記錄日產(chǎn)氣量和總產(chǎn)氣量，產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)由每克褐煤產(chǎn)氣得出，每3天測(cè)量樣品的pH值、脫氫酶活性和乙酸質(zhì)量濃度變化。本實(shí)驗(yàn)采用兩組全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)、30個(gè)發(fā)酵反應(yīng)瓶，形成10個(gè)質(zhì)量濃度梯度，每個(gè)質(zhì)量濃度3個(gè)平行，結(jié)果取平均值。

表2 添加不同質(zhì)量濃度LaCl3的褐煤生物甲烷化反應(yīng)體系Table 2 Lignite biomethanation reaction system with addition of different mass concentrations of LaCl3

表3 添加不同質(zhì)量濃度NdCl3的褐煤生物甲烷化反應(yīng)體系Table 3 Lignite biomethanation reaction system with addition of different mass concentrations of NdCl3

1.3 檢測(cè)方法

產(chǎn)氣量：通過(guò)AMPTSⅡ測(cè)定日產(chǎn)甲烷量和總產(chǎn)甲烷量，發(fā)酵單元產(chǎn)生的生物甲烷首先通過(guò)NaOH吸附單元，最后只有CH4才能進(jìn)入氣體體積測(cè)量單元； pH值：采用雷磁PHS-25 pH計(jì)測(cè)定； 脫氫酶活性：采用分光光度法測(cè)定[12]；乙酸質(zhì)量濃度：采用Agilent-1260 Infinity高效液相色譜儀測(cè)定，色譜柱為Agilent Hi-Plex H(7.7 mm×300 mm，8 μm)，檢測(cè)器為示差檢測(cè)器，柱溫設(shè)置為60 ℃，流動(dòng)相采用0.005 mol/L硫酸溶液，流速為0.5 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀土元素對(duì)褐煤生物甲烷發(fā)酵過(guò)程中日產(chǎn)氣量的影響

圖1所示為添加不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3對(duì)褐煤生物甲烷化日產(chǎn)氣量的影響。由圖1可以看出，在褐煤生物甲烷發(fā)酵前期的12 d內(nèi)，添加稀土元素對(duì)日產(chǎn)氣量的促進(jìn)作用明顯?？瞻捉M在第8天日產(chǎn)氣量最大，為2.15 mL/g，隨后日產(chǎn)氣量逐漸波動(dòng)減少；LaCl3添加體系中，La4組日產(chǎn)氣量峰值明顯提高，在第10天為2.70 mL/g，且發(fā)酵過(guò)程中第5～6天和第9～11天共有兩次產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣效果優(yōu)于其他組，La1，La2，La3和La5組日產(chǎn)氣量峰值分別為1.11 mL/g，1.20 mL/g，1.94 mL/g和2.03 mL/g，說(shuō)明1 000 mg/L LaCl3能增強(qiáng)褐煤生物甲烷發(fā)酵體系中微生物活性，并延長(zhǎng)產(chǎn)氣高峰期；NdCl3添加體系中，Nd1組在第9天日產(chǎn)氣量為2.25 mL/g，峰值明顯高于Nd2，Nd3和Nd4組的日產(chǎn)氣量峰值1.63 mL/g，1.58 mL/g和1.34 mL/g，揭示100 mg/L NdCl3可提高褐煤生物甲烷發(fā)酵的產(chǎn)氣速率。結(jié)果表明，加入適宜質(zhì)量濃度的LaCl3和NdCl3有利于加快褐煤生物甲烷化體系的產(chǎn)氣速率，提高甲烷產(chǎn)量[13-14]。發(fā)酵完成后各組的碳含量發(fā)生改變，空白組、La4組和Ndl組碳含量分別降至60.43%，55.75%和58.85%，表明添加LaCl3和NdCl3有利于促進(jìn)厭氧微生物對(duì)褐煤碳元素的利用，進(jìn)而轉(zhuǎn)化產(chǎn)生更多的CH4。

圖1 添加不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3對(duì)褐煤生物甲烷化日產(chǎn)氣量的影響Fig.1 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3on daily gas production of lignite biomethanation

2.2 稀土元素對(duì)褐煤生物甲烷發(fā)酵過(guò)程中總產(chǎn)氣量的影響

圖2所示為添加不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3對(duì)褐煤生物甲烷化總產(chǎn)氣量的影響。由圖2可知，不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3的添加對(duì)褐煤生物甲烷發(fā)酵總產(chǎn)氣量的影響存在差異。褐煤生物甲烷發(fā)酵進(jìn)行27 d，空白組總產(chǎn)氣量為16.08 mL/g；LaCl3添加體系中，La4組總產(chǎn)氣量為23.81 mL/g，相比于空白組增加了48.1%，總產(chǎn)氣量顯著高于其他實(shí)驗(yàn)組，表明LaCl3質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時(shí)可以明顯提高總產(chǎn)氣量；NdCl3添加體系中，Nd1組總產(chǎn)氣量為17.80 mL/g，比空白組總產(chǎn)氣量高10.7%，添加量超過(guò)100 mg/L后，總產(chǎn)氣量隨著NdCl3質(zhì)量濃度的增加而逐步降低，Nd4組總產(chǎn)氣量?jī)H為空白組的77.8%，這是因?yàn)橐欢ㄙ|(zhì)量濃度的La3+，Nd3+能增強(qiáng)細(xì)胞膜的通透性，使得微生物更好吸收和利用褐煤甲烷發(fā)酵系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；然而過(guò)高質(zhì)量濃度的La3+，Nd3+會(huì)吸附到產(chǎn)甲烷微生物周圍，阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入微生物細(xì)胞[5]，使得產(chǎn)氣量下降。此外，高質(zhì)量濃度的稀土元素也可能會(huì)與DNA，RNA和酶結(jié)合使其鈍化，從而產(chǎn)生抑制作用[15]。

圖2 添加不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3對(duì)褐煤生物甲烷化總產(chǎn)氣量的影響Fig.2 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on total gas production of lignite biomethanation

2.3 稀土元素對(duì)褐煤生物甲烷發(fā)酵過(guò)程中pH值的影響

pH值是影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的重要元素之一，微生物的生長(zhǎng)代謝與褐煤生物甲烷發(fā)酵過(guò)程pH值變化緊密相關(guān)。圖3所示為不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3對(duì)褐煤生物甲烷化pH值的影響。由圖3可知，pH值整體呈先下降后波動(dòng)上升的趨勢(shì)，各反應(yīng)組起始pH值均為7.0?？瞻捉M在第3天pH值下降到6.45，后緩慢上升，在第21天達(dá)到峰值7.61，后期保持在7.47～7.61，這是因?yàn)楹置河袡C(jī)質(zhì)在水解階段積累了少量乙酸，使得pH值下降，隨后產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷菌利用小分子脂肪酸、甲基等與CO2逐步生成CH4[16]，乙酸含量減少，pH值上升。在LaCl3添加體系中，La4組pH值在第3天下降到6.45，后緩慢上升至峰值7.51，后期保持在7.40～7.51，處于厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的適宜的pH值范圍之內(nèi)，與其他反應(yīng)組相比pH值變化更平穩(wěn)，說(shuō)明添加1 000 mg/L LaCl3有利于激活微生物抑制酸積累，促進(jìn)褐煤生物甲烷化持續(xù)進(jìn)行。NdCl3添加體系中，Nd1組pH值在第3天下降到6.50，然后在波動(dòng)中上升至峰值7.59，與各組pH值變化相似，只是不同添加質(zhì)量濃度下pH值峰值略有差異，隨著褐煤厭氧發(fā)酵不斷進(jìn)行，發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)微生物菌群相互競(jìng)爭(zhēng)，引起pH值波動(dòng)[17]。結(jié)果表明添加LaCl3和NdCl3能提高產(chǎn)甲烷微生物活性，抑制乙酸積累，保證褐煤生物甲烷化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行[18]。

圖3 添加不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3對(duì)褐煤生物甲烷化pH值的影響Fig.3 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on pH value of lignite biomethanation

2.4 稀土元素對(duì)褐煤生物甲烷發(fā)酵過(guò)程中脫氫酶活性的影響

脫氫酶能將氫從底物轉(zhuǎn)移到受體，其活性可以反映微生物菌群對(duì)底物的降解和轉(zhuǎn)化能力， 是評(píng)判厭氧發(fā)酵系統(tǒng)微生物活性的一個(gè)重要指標(biāo)[19]。

圖4所示為添加不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3對(duì)褐煤生物甲烷化脫氫酶活性的影響。由圖4可知，脫氫酶活性呈先上升后下降的趨勢(shì)，在反應(yīng)開始階段，各反應(yīng)組脫氫酶活性較低，空白組起始脫氫酶活性是48.5 μgTPF/(h·mL)，隨著厭氧發(fā)酵初期水解反應(yīng)的進(jìn)行，第6天脫氫酶活性增加到60.5 μgTPF/(h·mL)，由于褐煤甲烷發(fā)酵中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷消耗以及pH值的改變，微生物活性逐漸變?nèi)鮗19-20]；LaCl3添加體系中，La4組在整體發(fā)酵過(guò)程脫氫酶活性高于其他發(fā)酵組脫氫酶活性，在第9天脫氫酶酶活性最高，為399.8 μgTPF/(h·mL)，說(shuō)明添加1 000 mg/L LaCl3可以促進(jìn)甲烷發(fā)酵體系微生物的活性；NdCl3添加體系中，Nd1組脫氫酶活性在第9天達(dá)到峰值134.9 μgTPF/(h·mL)，明顯高于其他反應(yīng)組脫氫酶活性。結(jié)果顯示添加LaCl3和NdCl3有助于增強(qiáng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷微生物活性并提高微生物菌群對(duì)褐煤的降解能力。

圖4 添加不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3對(duì)褐煤生物甲烷化脫氫酶活性的影響Fig.4 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on dehydrogenase activity of lignite biomethanation

2.5 稀土元素對(duì)褐煤生物甲烷發(fā)酵過(guò)程中乙酸質(zhì)量濃度的影響

乙酸質(zhì)量濃度是衡量厭氧發(fā)酵穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，在褐煤甲烷發(fā)酵過(guò)程中，褐煤有機(jī)質(zhì)在厭氧微生物作用下分解生成乙酸，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為CH4，且乙酸含量與pH值變化緊密相關(guān)。

圖5所示為添加不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3對(duì)褐煤生物甲烷化乙酸質(zhì)量濃度的影響。由圖5可知，乙酸質(zhì)量濃度呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，空白組初始乙酸質(zhì)量濃度是25.8 mg/L，在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用下褐煤中易分解的有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生乙酸，第9天乙酸質(zhì)量濃度最高，達(dá)到188.6 mg/L，隨著褐煤甲烷發(fā)酵的進(jìn)行，乙酸逐漸轉(zhuǎn)化為CH4，乙酸質(zhì)量濃度減少[21]。LaCl3添加體系中，La4組乙酸質(zhì)量濃度在起始階段為34.2 mg/L，第9天最高，為889.7 mg/L，明顯高于其他發(fā)酵組乙酸質(zhì)量濃度，表明添加1 000 mg/L LaCl3組有更多的乙酸可轉(zhuǎn)化為CH4；NdCl3添加體系中，Nd1組初始乙酸質(zhì)量濃度為26.3 mg/L，第9天乙酸質(zhì)量濃度達(dá)到峰值1 133.8 mg/L，隨后乙酸逐漸轉(zhuǎn)化產(chǎn)生CH4，導(dǎo)致其質(zhì)量濃度回落。添加稀土元素后乙酸質(zhì)量濃度變化與前述總產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)一致，提示添加稀土元素LaCl3和NdCl3后產(chǎn)甲烷微生物活躍，乙酸轉(zhuǎn)化為生物甲烷的能力更強(qiáng)，褐煤轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷量更高[22]。

圖5 添加不同質(zhì)量濃度LaCl3和NdCl3對(duì)褐煤生物甲烷化乙酸質(zhì)量濃度的影響Fig.5 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on mass concentration of acetic acid of lignite biomethanation

3 結(jié) 論

1) 添加稀土元素LaCl3和NdCl3有助于提高褐煤發(fā)酵產(chǎn)甲烷的能力。添加1 000 mg/L LaCl3時(shí)，總產(chǎn)氣量達(dá)到23.81 mL/g，與空白組總產(chǎn)氣量相比增加了48.1%；添加100 mg/L NdCl3時(shí)，總產(chǎn)氣量為17.80 mL/g，比空白組總產(chǎn)氣量增加了10.7%。

2) 添加稀土元素LaCl3和NdCl3的褐煤發(fā)酵反應(yīng)體系脫氫酶活性顯著增強(qiáng)。添加1 000 mg/L LaCl3褐煤發(fā)酵組脫氫酶活性最高為399.8 μgTPF/(h·mL)，添加100 mg/L NdCl3褐煤發(fā)酵組脫氫酶活性峰值為134.9 μgTPF/(h·mL)，均遠(yuǎn)高于空白組的60.5 μgTPF/(h·mL)，表明添加LaCl3和NdCl3有助于提高微生物對(duì)褐煤有機(jī)質(zhì)的降解能力并提高甲烷產(chǎn)量，促進(jìn)褐煤生物甲烷轉(zhuǎn)化。

3) 添加稀土元素LaCl3和NdCl3后，乙酸轉(zhuǎn)化為生物甲烷的能力更強(qiáng)。1 000 mg/L LaCl3組乙酸質(zhì)量濃度最高達(dá)到889.7 mg/L，100 mg/L NdCl3組乙酸質(zhì)量濃度峰值為1 133.8 mg/L，明顯高于空白組乙酸質(zhì)量濃度188.6 mg/L，表明添加LaCl3和NdCl3有助于增強(qiáng)產(chǎn)甲烷微生物活性，提高乙酸轉(zhuǎn)化生物甲烷的能力，增加褐煤生物甲烷產(chǎn)量。稀土元素添加對(duì)環(huán)境的影響有待進(jìn)一步深入研究。