周?？。?陶嘉楠， 袁龍威， 龍海鈺， 程 翰， 梁夢娣， 劉正偉，李相前,2， 賀 帥,2*， 劉 培,2*

1.淮陰工學(xué)院 生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.江蘇省益生制劑重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003

2022年6月5日是第五十一個(gè)世界環(huán)境日，今年的主題為“共建清潔美麗世界”。習(xí)近平總書記曾在多個(gè)場合指出要正確認(rèn)識和把握碳達(dá)峰碳中和，強(qiáng)調(diào)要堅(jiān)持穩(wěn)中求進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)，展現(xiàn)中國為共建清潔美麗世界貢獻(xiàn)力量的信心與決心[1]。習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合會上提出2060年碳中和目標(biāo)，并提出力爭盡早落實(shí)2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，這是我國向世界作出的莊嚴(yán)承諾[2]。

亞洲人口占全球的60%，是迄今為止最大的碳排放地區(qū)，占全球排放量的53%[3]。然而，亞洲在排放方面的突破主要發(fā)生在過去幾十年。目前，中國的碳排放量居世界第一，占世界碳排放量的四分之一以上，每年的碳排放量超過120億噸[4]。碳排放與人類活動密切相關(guān)，而農(nóng)業(yè)溫室氣體排放導(dǎo)致氣候變化的最主要的人類因素，農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量占全球總排放量的25%[5-6]。

“綠水青山就是金山銀山”，就是盡可能保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的平衡。厘清社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放的關(guān)系是促進(jìn)社會與環(huán)境和諧共處的關(guān)鍵[7-8]。我國稻田種植面積大，秸稈還田后經(jīng)厭氧發(fā)酵，排放出大量的沼氣等溫室氣體，特別是其中甲烷所占比例較高，溫室效應(yīng)顯著[9-10]。如何有效減少水稻田溫室氣體的排放，已經(jīng)成為我國達(dá)成碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略任務(wù)，建設(shè)綠色可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)亟待解決的問題[11]。

水稻秸稈還田處理過程能夠利用厭氧微生物將秸稈中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行降解，同時(shí)產(chǎn)生大量甲烷氣和二氧化碳等溫室氣體，甲烷和二氧化碳又是造成全球溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w[12]。在水稻、土壤及微生物等生態(tài)過程產(chǎn)生的溫室氣體排放量，占水稻溫室氣體總排放量的60%[13]。減少水稻秸稈還田后厭氧發(fā)酵過程中溫室氣體排放，對于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室氣體減排目標(biāo)具有重要意義[14]。張佳佳等研究表明一定濃度錳鹽有抑制有機(jī)物產(chǎn)甲烷過程[15]，但是錳鹽對有機(jī)物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的科學(xué)規(guī)律尚不清楚，因此，系統(tǒng)研究不同錳鹽濃度對水稻秸稈厭氧發(fā)酵過程中溫室氣體排放量的影響，有重要價(jià)值和意義。

本研究以模擬水稻田土壤混合秸稈為研究對象，系統(tǒng)研究不同錳鹽濃度抑制水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的潛力，對比研究不添加錳鹽條件下，水稻秸稈厭氧發(fā)酵的沼氣排放量和甲烷排放量等結(jié)果，探究錳鹽作為水稻田溫室氣體減排抑制劑的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用的秸稈來自淮安市淮陰區(qū)水稻農(nóng)田的秸稈，經(jīng)過自然曬干后用粉碎機(jī)粉碎至1 cm長度，裝袋備用。活性污泥樣品來自淮安市市政污泥厭氧發(fā)酵瓶的底部污泥，取出后室溫貯存。主要理化性質(zhì)見表1。

表1 供試材料主要理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方法

秸稈厭氧發(fā)酵用采用帶有丁基膠塞的250 mL厭氧瓶作為發(fā)酵反應(yīng)器，厭氧發(fā)酵使用的污泥重量為1 gTS即23.202 g，秸稈重量為2 gTS即2.284 g。每組試驗(yàn)擁有三個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，每瓶組加入不同重量的MnCl2·4H2O，加入180 mL的無菌水，實(shí)驗(yàn)開始前用氫氧化鈉或鹽酸調(diào)整pH至7.0。上部采用丁基橡膠塞密封，并用鋁蓋加固。采用循環(huán)水真空泵對厭氧瓶內(nèi)的空氣進(jìn)行抽空，然后使用99.9%氮?dú)鉀_入，充滿后采用一次性針頭排出輸液瓶內(nèi)多余氣體，排除后再次重復(fù)排氣充氣動作，待厭氧瓶氣壓與外界大氣壓平衡。隨后統(tǒng)一放入恒溫震蕩培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，振蕩頻率設(shè)定為120 r/min，培養(yǎng)溫度設(shè)定為37 ℃。實(shí)驗(yàn)條件見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定

1.3 試驗(yàn)測定參數(shù)及方法

沼氣量測定采用排水法，沼氣中的甲烷濃度測定使用氣相色譜法(上海魯南瑞虹SP-7860 TCD氣相色譜，柱室、氫焰、汽化、熱導(dǎo)溫度分別為130 ℃、0 ℃、100 ℃、100 ℃)；總固體(TS)和揮發(fā)性固體(VS)含量分別采用干燥法和灰化法測定，pH由pH計(jì)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Office 365和OriginPro 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。不同時(shí)間點(diǎn)不同劑量錳元素添加量組的甲烷、沼氣比較使用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行。采用OriginPro 2021軟件作圖及進(jìn)行Gompertz方程擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同錳元素添加量對沼氣氣量分析

厭氧發(fā)酵結(jié)果可以反映不同劑量的添加物對水稻秸稈產(chǎn)沼氣能力的影響，整個(gè)厭氧發(fā)酵周期為34 d，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到沼氣的階段排放量、沼氣累計(jì)排放量。沼氣排放量與甲烷排放量保持一致，實(shí)驗(yàn)開始后3 d內(nèi)開始產(chǎn)生沼氣與甲烷。在實(shí)驗(yàn)開始第8 d到12 d的階段，所有厭氧發(fā)酵瓶均無氣體產(chǎn)生。據(jù)推測可能是由于發(fā)酵初期可發(fā)酵碳水化合物被利用完，而難降解的纖維素和半纖維素還在酸化過程中，導(dǎo)致發(fā)酵暫時(shí)中止。

2.1.1不同錳元素添加量階段排放量分析

圖1表示各個(gè)不同錳元素添加量厭氧發(fā)酵過程中的階段排放量的變化曲線。從圖中可以看出，排放階段有2個(gè)波峰。不同錳濃度的厭氧瓶均在第14 d到17 d的階段排放達(dá)到最大排放值，然后排放量開始下降。添加了0 mg、4 mg、8 mg、12 mg和16 mg四水氯化錳的厭氧發(fā)酵瓶在第14 d到17 d的階段排放中的排放量分別是99.0 mL、90.0 mL、69.5 mL、82.5 mL和78.0 mL，后續(xù)階段開始快速回落(見圖1)。

圖1 厭氧發(fā)酵過程中沼氣排放量的變化曲線

2.1.2不同錳元素添加量累計(jì)排放量分析

圖2為厭氧發(fā)酵過程中累計(jì)沼氣排放量。從圖中可以明顯看出未添加錳元素添加量的厭氧發(fā)酵瓶累計(jì)產(chǎn)出氣量高于添加0 mg、4 mg、8 mg、12 mg和16 mg錳鹽的的厭氧發(fā)酵瓶，從表3可以看出其累計(jì)排放量為(545.0±12)mL、(516.0±3)mL、(507±1)mL、(521.3±4.3)mL和(497.8±1.8)mL。沼氣主要是纖維素等成分在多種細(xì)菌下共同生產(chǎn)，其中在厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷菌在最后起作用。厭氧發(fā)酵時(shí)間的長短意味著在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)酵處理廢棄物的數(shù)量，直接反映了厭氧發(fā)酵效率，在實(shí)際生產(chǎn)中具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)意義?？梢詫Υ笮驼託夤こ趟νＡ魰r(shí)間的設(shè)計(jì)提供重要參考。一般在實(shí)際生產(chǎn)中，以排放量達(dá)到總排放量的 90%以上即可認(rèn)為發(fā)酵基本完成，為一個(gè)發(fā)酵周期[16]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在模擬水稻田土壤混合秸稈環(huán)境中，調(diào)控初始錳鹽質(zhì)量濃度范圍為1.75 mg/g～7.00 mg/g秸稈時(shí)，累計(jì)沼氣排放量比無錳試驗(yàn)組降低4.36%～8.67%。相關(guān)論文表明金屬錳是厭氧污泥的重要組成元素，過高濃度錳離子會降低厭氧污泥降解有機(jī)質(zhì)的能力[15]，轉(zhuǎn)而降低有機(jī)物轉(zhuǎn)化揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的效率，對厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用[17]，所以沼氣排放量降低。

圖2 厭氧發(fā)酵過程中累計(jì)沼氣排放量

表3 各處理產(chǎn)氣結(jié)果匯總

2.2 不同錳元素添加量對甲烷排放量影響的分析

甲烷排放量是衡量秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果的最重要指標(biāo)。圖3為厭氧發(fā)酵過程中甲烷含量變化曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在厭氧發(fā)酵初期甲烷含量有明顯上升勢頭，遇到發(fā)酵系統(tǒng)酸化下降后又極具拉伸，到達(dá)甲烷含量最高峰后開始緩慢下降，甲烷最高含量在73%～79%。各實(shí)驗(yàn)組甲烷階段排放量如圖4所示，最高峰為添加0 mg四水氯化錳實(shí)驗(yàn)組，階段最高甲烷排放量為64.9 mL。厭氧發(fā)酵過程中各組甲烷總排放量如圖5所示，各實(shí)驗(yàn)組在36 d的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)甲烷產(chǎn)量相差不明顯，添加0 mg四水氯化錳組累計(jì)甲烷產(chǎn)量最高為309 mL，添加16 mg四水氯化錳組累計(jì)甲烷最高產(chǎn)量為296 mL。有研究發(fā)現(xiàn)活性污泥胞外聚合物(EPS)主要包括(松散型胞外聚合物)TB-EPS和(緊實(shí)型胞外聚合物)LB-EPS兩部分，污泥的活性和LB-EPS的含量有關(guān)，即在一定程度上，LB-EPS的含量越高，污泥的活性越強(qiáng)[18-19]。當(dāng)系統(tǒng)Mn2+的添加濃度過高時(shí)，LB-EPS含量減少，污泥活性降低，污泥結(jié)構(gòu)被破壞，厭氧污泥表面排列變得松散，菌形狀從球狀轉(zhuǎn)變桿狀與絲狀，減小了比表面積，從而降低了產(chǎn)甲烷活性[15]。初始錳鹽質(zhì)量濃度范圍為1.75 mg/g～7.00 mg/g秸稈試驗(yàn)組，排放的甲烷氣體比無錳試驗(yàn)組降低了2.38%～5.34%,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出錳鹽的添加能有效降低甲烷的總排放量。

圖3 厭氧發(fā)酵過程中甲烷含量變化曲線

圖4 厭氧發(fā)酵過程中甲烷階段排放量

圖5 厭氧發(fā)酵過程中甲烷總排放量

2.3 甲烷累計(jì)產(chǎn)量Gompertz模型擬合分析

本研究選用了Gompertz模型對模擬水稻秸稈還田在不同錳元素的添加量下甲烷累計(jì)產(chǎn)量的擬合，表4給出Gompertz擬合的各種參數(shù)。由表4可知，各添加組的產(chǎn)氣量與修正的Gompertz方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，說明修正的Gompertz方程可用于模擬不同劑量錳離子對秸稈還田土壤釋放甲烷氣體的影響。由表4可以看出，在原料最大產(chǎn)甲烷潛力一定的情況下，添加錳元素是能夠增加厭氧發(fā)酵的延滯期的，也能減少最大產(chǎn)甲烷效率。

表4 Mn2+對修正的Gompertz方程動力學(xué)參數(shù)的影響

3 結(jié)論

(1) 在模擬水稻田土壤混合秸稈環(huán)境中，調(diào)控初始錳鹽質(zhì)量濃度范圍為1.75 mg/g～7.00 mg/g秸稈時(shí)，累計(jì)沼氣排放量比無錳試驗(yàn)組降低4.36%～8.67%。

(2) 初始錳鹽質(zhì)量濃度范圍為1.75 mg/g～7.00 mg/g秸稈試驗(yàn)組，排放的甲烷氣體比無錳試驗(yàn)組降低了2.38%～5.34%。

本研究結(jié)果表明，調(diào)控模擬水稻田土壤混合秸稈中初始錳鹽濃度，能顯著降低稻田中溫室氣體的排放量，特別是有效降低甲烷的排放量。研究結(jié)果有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。