天昊微生物項(xiàng)目文章：總碳/硫酸鹽對(duì)含硫酸鹽廢水與玉米秸稈共消化甲烷產(chǎn)生及硫酸鹽去除的影響

發(fā)稿時(shí)間：2019-08-14來(lái)源：天昊生物

  

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程系近期在《Journal of Environmental Management》上發(fā)表了總碳/硫酸鹽對(duì)含硫酸鹽廢水與玉米秸稈共消化甲烷產(chǎn)生及硫酸鹽去除的影響的文章。在這項(xiàng)研究中天昊生物有幸承擔(dān)了樣品的相對(duì)定量擴(kuò)增子測(cè)序工作。在恭喜客戶又發(fā)表文章同時(shí)，我們想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文題目：Impact of total carbon/sulfate on methane production and sulfate removal from co-digestion of sulfate-containing wastewater and corn stalk

中文題目：總碳/硫酸鹽對(duì)含硫酸鹽廢水與玉米秸稈共消化甲烷產(chǎn)生及硫酸鹽去除的影響

期刊名：Journal of Environmental Management    

影響因子： 4.865

發(fā)表時(shí)間： 2019年 

研究概要：

本研究在高溫條件下對(duì)含硫酸鹽廢水和玉米秸稈進(jìn)行厭氧共消化，研究總碳（tc）/硫酸鹽（6、16、35、110）對(duì)甲烷生成和硫酸鹽去除的影響。在Tc/硫酸鹽為35條件下，最高甲烷生成量為260.14 ml/g vs，顯著高于Tc/硫酸鹽為6條件下的12.53 ml/g。此外，硫酸鹽平衡分析結(jié)果表明，在Tc/硫酸鹽為16條件下，最大硫酸鹽去除率為93.43%，共消化28天后，沼氣漿中的硫酸鹽濃度均小于0.1g/L，與Tc/硫酸鹽比值無(wú)關(guān)。采用16S rDNA測(cè)序技術(shù)對(duì)微生物群落進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：甲烷主要由Methanoculleus 和Methanosarcina產(chǎn)生，通過(guò)Desulfotomaculum去除硫酸鹽。產(chǎn)甲烷古菌（MA）和硫酸鹽還原菌（SRB）的相對(duì)豐度與產(chǎn)甲烷量和硫酸鹽去除量顯著相關(guān)。結(jié)果表明，在適當(dāng)?shù)?/span>Tc/硫酸鹽條件下，對(duì)含硫酸鹽廢水和玉米秸稈進(jìn)行厭氧共消化，可獲得較高的甲烷產(chǎn)量和硫酸鹽去除率。

研究背景：

以稀硫酸為原料，在秸稈解聚過(guò)程中產(chǎn)生大量高濃度硫酸鹽有機(jī)廢水，但是未經(jīng)處理或處置不當(dāng)，可能對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，如設(shè)備腐蝕、所需微量金屬元素流失、土壤酸化、產(chǎn)生有毒硫化氫氣體、污染率高。氫氧化鈣沉淀法處理高濃度硫酸鹽酸性廢水，由于成本較低，得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)產(chǎn)生的硫酸鈣沉淀法可作為工業(yè)和化工原料。但氫氧化鈣沉淀對(duì)溶液的酸堿度敏感，石膏的溶解性限制了硫酸的去除效率，容易導(dǎo)致處理不徹底。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），水中硫酸鹽濃度不應(yīng)超過(guò)250mg/l。因此，氫氧化鈣沉淀作為一種單一的處理方法可能不再適用，應(yīng)開(kāi)發(fā)新的處理方法或聯(lián)合處理，以降低硫酸鹽濃度，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。然而，對(duì)于高濃度硫酸鹽（約22.8g/L）的廢水，使用氫氧化鈣沉淀作為預(yù)處理可能更經(jīng)濟(jì)。厭氧消化是產(chǎn)生生物能源的固體有機(jī)廢物處理最常用的方法。早期研究表明，加入較低濃度的硫酸鹽可以改善厭氧消化的沼氣生產(chǎn)性能。因此，經(jīng)過(guò)氫氧化鈣預(yù)處理后的低濃度硫酸鹽有機(jī)廢水可作為共基質(zhì)，與玉米秸稈等其他沼氣原料共消化，獲得較高的甲烷產(chǎn)量，同時(shí)，有效地去除了硫酸鹽。文獻(xiàn)記載，在高硫酸鹽濃度廢水的厭氧消化過(guò)程中，化學(xué)需氧量（COD）/硫酸鹽對(duì)甲烷的產(chǎn)生和硫酸鹽的去除有顯著影響。例如，Hoa等人研究了上流式厭氧污泥床（UASB）系統(tǒng)中硫酸鹽還原過(guò)程，發(fā)現(xiàn)電子流與硫酸鹽還原菌（SRB）的比例在80-85%之間，COD/硫酸鹽的比例為2。據(jù)Barrera等人報(bào)道，在COD/硫酸鹽比例為10.0-5.0的情況下，硫化物抑制了產(chǎn)甲烷古菌（MA）和硫酸鹽還原菌（SRB）。然而，這些研究大部分集中在含硫酸鹽的有機(jī)廢水的處理上，含硫酸鹽廢水與玉米秸稈厭氧共消化產(chǎn)甲烷及脫硝研究較少。

值得注意的是，固體廢物的有機(jī)負(fù)荷通常用揮發(fā)性固體（vs）或碳（c）元素含量來(lái)表示。因此，以前報(bào)道的最佳化學(xué)需氧量（COD）/硫酸鹽不能準(zhǔn)確指導(dǎo)含硫酸鹽廢水與固體廢物的厭氧共消化。據(jù)我們所知，目前尚無(wú)關(guān)于化學(xué)需氧量（COD）/硫酸鹽替代參數(shù)的科學(xué)報(bào)告，本文提出了一個(gè)可供選擇的參數(shù)，即總碳（Tc）/硫酸鹽比，用于含硫酸鹽廢水與固體廢物的直接厭氧共消化。本研究的主要目的是探討總碳（Tc）/硫酸鹽對(duì)玉米秸稈含硫酸鹽廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷和去除硫酸鹽的影響。采用間歇試驗(yàn)方法，比較了不同總碳（Tc）/硫酸鹽水平下玉米秸稈的累積產(chǎn)甲烷量、硫酸鹽去除量、有機(jī)質(zhì)降解量、結(jié)晶度指數(shù)和微生物群落特征。研究結(jié)果為含硫酸鹽廢水與玉米秸稈的厭氧共消化提供了一個(gè)有效的參數(shù)和合理的調(diào)節(jié)范圍，有利于更好的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

研究方法：

基質(zhì)和接種物：

本研究收集了糠醛（FSCW）生產(chǎn)過(guò)程中的含硫酸鹽廢水。根據(jù)硫酸鹽濃度和硫酸鈣（CaSO4）分子，添加100%、125%、150%和175%的氫氧化鈣，使硫酸鹽完全沉淀。沉淀后，讓溶液靜置24小時(shí)，然后過(guò)濾上清液。最后，濾液的pH值調(diào)整為～5.6，作為共基質(zhì)（W1, W2, W3, W4）。分析前，通過(guò)0.45μm微孔過(guò)濾器過(guò)濾FSCW和含硫酸鹽廢水（W1～W4）樣品。從哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田采集玉米秸稈作為共基質(zhì)。實(shí)驗(yàn)前將自然干燥的玉米秸稈粉碎成直徑為1-2cm的玉米秸稈。從牛糞厭氧消化池中提取的55±1°C的厭氧污泥。

 

表1  FSCW、含硫酸鹽廢水（W1-W6）、玉米秸稈和接種物的特性

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

在1000毫升錐形燒瓶（工作體積：700毫升）中進(jìn)行批量分析，每個(gè)燒瓶裝485克接種物。分別添加15g玉米秸稈和200g W1～W4含硫酸鹽廢水，使Tc/硫酸鹽達(dá)到6、16、35或110。為了評(píng)價(jià)底物的發(fā)酵性能，對(duì)玉米秸稈或含硫酸鹽廢水（W1～W4）進(jìn)行了單次消化。添加一定量的蒸餾水，使發(fā)酵液的總物料量達(dá)到700 g，空白試驗(yàn)只含有485g接種液和215g蒸餾水。每種處理分三次進(jìn)行，厭氧消化反應(yīng)器使用30個(gè)錐形燒瓶。所有反應(yīng)器放置在空氣浴振蕩器中，溫度為55±1°C，每1-2天分析一次各處理過(guò)程中的氣體樣品。每2天監(jiān)測(cè)一次發(fā)酵液的酸堿度。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定總固體（TS）、揮發(fā)性固體（vs）、ph、鈣和鐵離子。硫酸鹽和硝酸鹽的濃度通過(guò)Skalar流量分析儀測(cè)量。采用快速消解法對(duì)可溶性化學(xué)需氧量（SCOD）進(jìn)行了分析。用氣體檢測(cè)管測(cè)定硫化氫。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量由半自動(dòng)纖維素分析儀測(cè)定。使用氣相色譜法測(cè)量沼氣中的甲烷含量。采用元素分析儀測(cè)定了碳、氮元素含量。由于玉米秸稈中硫酸鹽含量較低，故將基質(zhì)中的Tc/硫酸鹽定義為硫酸鹽廢水和玉米秸稈中總碳含量與廢水中硫酸鹽含量的比值。利用X射線衍射儀（XRD）分析了6、16、35、110和未消化玉米秸稈在不同Tc/硫酸鹽條件下共消化的x射線衍射（XRD）圖。

16S擴(kuò)增子相對(duì)定量測(cè)序：

在共消化結(jié)束時(shí)，收集不同Tc/硫酸鹽條件下（6、16、35和110）的發(fā)酵液體，采用16S rDNA測(cè)序技術(shù)對(duì)微生物群落的分布進(jìn)行了分析。

研究結(jié)果：

甲烷產(chǎn)生

結(jié)果表明，對(duì)于tc/硫酸鹽為6時(shí)，在第2天就獲得12.53 mlg-1 vs的累積甲烷產(chǎn)量，但此后，甲烷產(chǎn)量幾乎停止。由于基質(zhì)在厭氧共消化初期不是一個(gè)限制因素，因此，硫酸鹽還原產(chǎn)生的硫化物可能是產(chǎn)甲烷古菌（MA）活性迅速下降的原因，在Tc/硫酸鹽濃度為6的條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，硫化物的生成量迅速增加，產(chǎn)生的硫化物不能以H₂ S的形式與沼氣一起排出，從而存在于發(fā)酵液中，抑制了產(chǎn)甲烷。根據(jù)H₂ S/HS^-共軛離子分布曲線（圖1b），硫化物的存在形式與pH值密切相關(guān)，研究表明當(dāng)pH值為6.0時(shí)，90%的硫化物以H₂ S的形式存在于發(fā)酵液中，對(duì)產(chǎn)甲烷古菌（MA）的毒性遠(yuǎn)大于對(duì)HS^-和S ^2?。在本實(shí)驗(yàn)中， Tc/硫酸鹽為6時(shí)，發(fā)酵液在3天后的pH值約為6.1，因此硫酸鹽還原產(chǎn)生的硫化物主要以H₂ S的形式存在，導(dǎo)致對(duì)產(chǎn)甲烷的抑制。這個(gè)結(jié)果與16S rDNA測(cè)序結(jié)果一致，結(jié)果表明，在Tc/硫酸鹽為6時(shí)，產(chǎn)甲烷古菌（MA）的相對(duì)豐度（如Methanoculleus，Methanosarcina）急劇下降（圖6b）。

如圖1（a）所示，由于在碳源利用中產(chǎn)甲烷古菌（MA）占主導(dǎo)地位， tc/硫酸鹽（16、35和110）中的累積甲烷產(chǎn)量在3-11天內(nèi)迅速增加，到第12天獲得了總甲烷產(chǎn)量的90%。共消化結(jié)束時(shí)，總產(chǎn)甲烷量分別為226.97、260.14和249.56 ml/g，遠(yuǎn)高于玉米秸稈單消化時(shí)的180.34 ml/g。綜上所述，我們的研究結(jié)果表明，在Tc/硫酸鹽為35時(shí)甲烷產(chǎn)量最高，當(dāng)Tc/硫酸鹽降至6時(shí)，甲烷生成完全被抑制。

 

圖1  a：厭氧共消化（a）過(guò)程中不同總碳（tc）/硫酸鹽水平下甲烷產(chǎn)量的變化；b：H 2 S/H-在4-10時(shí)的共軛離子分布曲線。

H₂S產(chǎn)生

前兩天共消化時(shí)，沼氣中的H₂ S濃度非常低（圖2a）。這可能是由于初始發(fā)酵液中存在硝酸鹽導(dǎo)致的，硫化物氧化菌（SOB）將硫化物氧化為硫酸鹽，利用硝酸鹽作為電子受體，導(dǎo)致H₂ S濃度較低。沼氣中H₂ S濃度在第3天或第4天急劇上升，這是由于硫酸鹽還原菌（SRB）使用VFAs作為底物將硫酸鹽還原為硫化物，然后觀察到沼氣中H₂ S濃度下降。在共消化過(guò)程中，16的Tc/硫酸鹽比35和110的Tc/硫酸鹽具有較高濃度的H₂ S。10天后，35和110的Tc/硫酸鹽在沼氣中很難檢測(cè)到H₂ S，這可能是由于低硫酸鹽濃度抑制了硫化物生成。共消化結(jié)束時(shí)，不同Tc/硫酸鹽（16、35和110）條件，H₂ S的累積產(chǎn)量分別為0.2240、0.1175和0.1468 ml/g（圖2b）。

 

圖2 厭氧共消化過(guò)程中不同tc/硫酸鹽條件下沼氣（a）H₂ S濃度和累積H₂ S產(chǎn)量（b）的變化

硫酸鹽平衡分析

假設(shè)硫酸鹽還原完全轉(zhuǎn)化為硫化物，硫酸鹽還原菌（SRB）還原的硫酸鹽物質(zhì)量應(yīng)等于發(fā)酵液中硫化物物質(zhì)量和沼氣中H₂ S的總和。根據(jù)這一假設(shè)，對(duì)不同的TC/硫酸鹽進(jìn)行了硫酸鹽平衡分析。去除的硫酸鹽隨Tc/硫酸鹽比值的降低而迅速增加，最高去除的硫酸鹽為1.69g/L，此時(shí)Tc/硫酸鹽為6（圖3a），這與在此條件下獲得的硫酸鹽還原菌（SRB）(Desulfotomaculum)的相對(duì)豐度最高相一致。共消化28天后， Tc/硫酸鹽（16）的最大硫酸鹽去除率為93.43%，高于Tc/硫酸鹽（35）的最大硫酸鹽去除率（89.82%）和Tc/硫酸鹽（110）的最大硫酸鹽去除率（75.54%），這可能是由于低濃度的硫酸鹽抑制了硫酸鹽還原菌（SRB）的還原（圖3a）。當(dāng)tc/硫酸鹽濃度降至6時(shí)，硫酸鹽去除率降至87.21%。這表明，盡管硫酸鹽的增加有利于SRB利用硫酸鹽，但SRB沒(méi)有完全利用過(guò)量硫酸鹽，導(dǎo)致硫酸鹽去除率下降。此外，SRB產(chǎn)生的硫化物會(huì)抑制SRB的活性，導(dǎo)致在低Tc/硫酸鹽條件下硫酸鹽去除率降低。

圖3（b）表明，總硫化物的產(chǎn)生與發(fā)酵液中硫化物的濃度沒(méi)有太大差異。結(jié)果表明，發(fā)酵液中主要存在硫酸鹽還原生成的硫化物（約占90%）。然而，發(fā)酵液中硫化物的存在形式因不同的TC/硫酸鹽比值而不同。由于第6天之后，16、35和110的tc/硫酸鹽發(fā)酵液的pH值分別為7.73、7.50和7.21，因此SRB產(chǎn)生的硫化物主要以HS^?的形式存在（圖1b）。其對(duì)發(fā)酵微生物的毒性相對(duì)較低，這可能解釋了高溫硫酸鹽中硫化物不抑制產(chǎn)甲烷過(guò)程的原因。而當(dāng)tc/硫酸鹽為6時(shí)，pH值約為6.11，這導(dǎo)致發(fā)酵液中的硫化物主要以H₂ S的形式存在，H₂ S對(duì)產(chǎn)甲烷古菌（MA）具有高度毒性。這與以往的研究結(jié)果一致，表明在Tc/硫酸鹽為6時(shí)，硫酸鹽還原生成的硫化物抑制了產(chǎn)甲烷活性。

圖3 共消化28天后，在不同的tc/硫酸鹽中去除的硫酸鹽（a）和產(chǎn)生的硫化物（b）

微生物群落分析

在共消化結(jié)束時(shí)，采用16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序分析了TC/硫酸鹽對(duì)細(xì)菌群落整體結(jié)構(gòu)的影響。不同Tc/硫酸鹽條件（為6、16、35和110）的OTU數(shù)量分別為477、505、517和432（表2）。α多樣性指數(shù)可用于評(píng)價(jià)每個(gè)樣本的群落豐富度（Chao 1 和 ACE）和多樣性（Shannon）。在16和35的tc/硫酸鹽條件下，群落的豐富度和多樣性均高于其他tc/硫酸鹽條件下，說(shuō)明該條件下的厭氧共消化系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

 

分支的長(zhǎng)度表示樣本之間的距離，分支越近，樣本的群落組成越相似。如圖6（b）所示，16和35的tc/硫酸鹽的群落組成相似。

發(fā)酵液中以Hydrogenispora和Clostridium_III為主。當(dāng)tc/硫酸鹽小于35時(shí)，Hydrogenispora的相對(duì)豐度隨著tc/硫酸鹽比值的增加而增加，可能是因?yàn)?/span>Hydrogenispora可以利用碳水化合物產(chǎn)生氫和乙醇，有研究表明Tc/硫酸鹽的增加促進(jìn)了硫酸鹽還原菌（SRB）對(duì)氫和乙醇的利用，從而促進(jìn)了Hydrogenispora的生長(zhǎng)。

對(duì)于110的Tc/硫酸鹽，硫酸鹽濃度較低會(huì)抑制SRB的生長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)酵罐內(nèi)乙醇大量積累，從而導(dǎo)致對(duì)Hydrogenispora的反饋抑制。

Clostridium_III是一種嗜熱厭氧菌，參與纖維素的降解和糖化。Clostridium_III的相對(duì)豐度與Hydrogenispora相反，可能是由于同一基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)35的Tc/硫酸鹽中的產(chǎn)甲烷古菌（MA）相對(duì)豐度（Methanoculleus 和 Methanosarcina）高于其它Tc/硫酸鹽（圖6b），表明當(dāng)Tc/硫酸鹽約為35時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)增強(qiáng)，這與此時(shí)具有最高的甲烷濃度一致。

Desulfotomaculum是一種著名的高溫硫酸鹽還原菌（SRB），它以VFAS為電子供體，將硫酸鹽還原為硫化物，在Tc/硫酸鹽濃度為6時(shí)，Desulfotomaculum相對(duì)豐度增加，硫酸鹽去除量增加，在Tc/硫酸鹽濃度為6時(shí)，硫酸鹽去除量達(dá)到最高。

以往的研究表明，Ureibacillus能降解秸稈與稀硫酸解聚產(chǎn)生的有毒化合物，如糠醛和5-羥甲基糠醛。Ureibacillus的相對(duì)豐度隨著總硫酸鹽含量的降低而增加，說(shuō)明總硫酸鹽含量較低的含硫廢水可能含有較多的有毒化合物，這可能與氫氧化鈣預(yù)處理有關(guān)。這也可能是當(dāng)tc/硫酸鹽為6時(shí)甲烷產(chǎn)量受到抑制的原因。Tc/硫酸鹽的降低可能導(dǎo)致發(fā)酵液中硫化物濃度的升高，與Tepidanaerobacter還原鐵產(chǎn)生的亞鐵形成沉淀（硫化亞鐵），從而促進(jìn)Tepidanaerobacter的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致隨著TC/sulfate的降低Tepidanaerobacter的相對(duì)豐度增加。

 

圖6 在不同的Tc/硫酸鹽條件下，厭氧共消化后的屬水平細(xì)菌種群分布及熱圖

在本研究中，含硫酸鹽厭氧共消化廢水與玉米秸稈在總碳（tc）/硫酸鹽條件下的發(fā)酵性能提高可能歸因于三個(gè)主要因素：首先，通過(guò)與含硫酸鹽廢水共消化，提高了鈣和鐵的微量元素含量，這可能有助于提高甲烷的產(chǎn)量；其次，稀釋有毒化合物，單一消化含硫酸鹽廢水（w1～w4），幾乎不產(chǎn)生沼氣，這不僅是因?yàn)楦邼舛鹊牧蛩猁}，還因?yàn)榇嬖谟卸净衔?，如糠醛?/span>5-甲基糠醛（玉米秸稈脫硫副產(chǎn)物），它們可以抑制產(chǎn)甲烷古菌（MA）的生長(zhǎng)；第三，共消化有利于微生物群落多樣性的增加，尤其是那些能夠降解復(fù)雜底物和芳香化合物的細(xì)菌相對(duì)豐度的提高，導(dǎo)致木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的降解增加，從而提高沼氣生產(chǎn)性能。