四種預(yù)處理方法對混合菌產(chǎn)氫特性的影響

汪同嘉，任云利，王鍵吉

(河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院，河南洛陽471003)

0 前言

開發(fā)后續(xù)能源，保護環(huán)境，已成為當(dāng)今世界的共識。生物質(zhì)是一種廣泛存在的可再生資源，生物質(zhì)水解后可以得到木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，半纖維素水解后可以得到30% ～80%的木糖［1－2］。若能通過發(fā)酵將木糖轉(zhuǎn)化為氫氣或乙醇等清潔能源，則對環(huán)境和能源問題的解決具有重要的意義。釀酒酵母是工業(yè)上生產(chǎn)乙醇的優(yōu)良菌株，但由于缺少木糖利用的最初代謝途徑而不能直接利用木糖進行乙醇發(fā)酵。多年來人們試圖通過基因工程和細胞融合等方法對其進行改造使之能夠代謝木糖生產(chǎn)乙醇。然而，所得到的重組酵母或酵母工程菌均因?qū)σ掖肌⒁宜峄蛘咛菨舛鹊妮^低的耐受性造成乙醇生產(chǎn)效率極低［3－4］。從而，將木糖轉(zhuǎn)化為氫氣能源的研究逐漸引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)由于條件溫和、能耗低，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。目前常用產(chǎn)氫的微生物中有單一的菌種也有混合菌種。混合菌是多種微生物的混合體，包括產(chǎn)氫菌和耗氫菌。在厭氧發(fā)酵過程中，產(chǎn)氫菌產(chǎn)生的氫氣會很快被耗氫菌消耗，氫氣產(chǎn)量極低。但是一些產(chǎn)氫菌能形成芽孢，在加熱和毒性化學(xué)物質(zhì)存在等不良環(huán)境下，具有比耗氫菌更強的耐受能力。因此，預(yù)處理可以起到抑制耗氫菌活性、篩選產(chǎn)氫菌的作用。近年來，一些學(xué)者通過熱處理、酸處理、堿處理等方法來有效抑制污泥中的耗氫微生物，從而達到了強化微生物制氫之目的［5－7］。

類似于活性污泥，牛糞堆肥也是多種微生物的混合體，可用于發(fā)酵制氫。近幾年，關(guān)于牛糞堆肥用作發(fā)酵制氫的菌源已有不少報道［8－9］。但是，通過對該混合菌預(yù)處理篩選產(chǎn)氫菌以強化產(chǎn)氫的報道很少［10］。牛糞用于沼氣發(fā)酵后的發(fā)酵液中富含各種厭氧菌或兼性厭氧菌。因此，本文研究了取自牛糞發(fā)酵液的混合菌以木糖為碳源的產(chǎn)氫能力，并比較了熱處理、酸處理、堿處理和紅外照射處理的最佳處理條件，以及這四種預(yù)處理方法對混合菌發(fā)酵制氫的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用混合菌取自洛陽市生生乳業(yè)沼氣發(fā)酵池。

1.2 培養(yǎng)基

培養(yǎng)基的組成為:木糖15 g/L，蛋白凍5 g/L，磷酸二氫鉀14 g/L，磷酸氫二鉀6 g/L，硫酸銨2 g/L，檸檬酸鈉1 g/L，七水硫酸鎂0.2 g/L。

1.3 實驗方法

將95 mL培養(yǎng)基和5 mL處理好的混合菌倒入500 mL的發(fā)酵瓶中，在CO2吸收瓶中加入適量的NaOH溶液，分別用橡膠塞密封。將發(fā)酵瓶、CO2吸收瓶用乳膠管連接，并向發(fā)酵瓶中鼓吹N2以排出體系中的氧氣。將裝滿水的量氣管和水準(zhǔn)瓶用乳膠管和CO2吸收瓶連接。發(fā)酵前，記下水準(zhǔn)瓶和量氣管液面相平時的量氣管初始讀數(shù)。然后將發(fā)酵瓶置于37℃水浴搖床，在轉(zhuǎn)速為155 r/min的條件下發(fā)酵。

1.3.1 混合菌的熱處理

取5根試管，分別加入8 mL混合菌液，在沸水浴中分別處理0 min、10 min、20 min、30 min、50 min和90 min，然后各取5 mL進行接種。

1.3.2 混合菌的紅外照射處理

取一定量的牛糞堆肥放入培養(yǎng)皿中，在培養(yǎng)皿垂直上方8 cm處用160W的紅外燈泡分別照射1 h，2 h和3 h后，取5 mL接種。

1.3.3 混合菌的酸處理

取一定量的牛糞堆肥，分為5份。用鹽酸分別將其酸堿度調(diào)至pH2，pH3，pH4，pH5，pH6。在37℃恒溫水浴中預(yù)處理24 h后，取5 mL接種。

1.3.4 混合菌的堿處理

取一定量的活性混合菌，分為3份。用NaOH水溶液分別將其酸堿度調(diào)至pH8，pH9，pH10。在37℃恒溫水浴中預(yù)處理24 h。分別取5 mL接種。

1.4 發(fā)酵產(chǎn)氫動力學(xué)模型

修正的Gompertz方程能較好地描述間歇實驗中微生物生長隨時間的變化規(guī)律［11］，其表達式為:

式中，H為t時間內(nèi)的累積產(chǎn)氫量，mL;P為最大累積產(chǎn)氫量，mL;Rm為最大產(chǎn)氫速率，mL/h;λ為產(chǎn)氫延遲時間，h。在本研究中，每隔1 h記錄發(fā)酵產(chǎn)生的累積產(chǎn)氫量，用上述方程擬合得到P、Rm和λ三個參數(shù)。然后用下式［12］:

計算間歇實驗中的產(chǎn)氫速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理時間對混合菌產(chǎn)氫的影響

一些產(chǎn)氫菌有更好的環(huán)境耐受能力［13－15］。文獻［16］從牛糞中分離得到1株極端嗜熱產(chǎn)氫菌，可在75℃下發(fā)酵產(chǎn)氫;作者在前期工作中［17］，在100℃熱處理活性污泥10 min后使產(chǎn)氫量提高了1.33倍。通過熱處理可減少混合菌中的一些耗氫菌和抑氫菌(如乳酸菌)，從而強化產(chǎn)氫。

本實驗中，經(jīng)不同熱處理時間處理的混合菌的產(chǎn)氫過程如圖1所示。從圖1可以看出:混合菌熱處理10 min較未處理所得累計產(chǎn)氫量并無明顯變化。然而，當(dāng)混合菌熱處理20～50 min再進行接種發(fā)酵所得產(chǎn)氫量可達310～320 mL，較未處理混合菌所得產(chǎn)氣量提高約30%。當(dāng)熱處理的時間增加至90 min時，累計產(chǎn)氫量則顯著下降。另外，熱處理導(dǎo)致發(fā)酵初期(前5 h)產(chǎn)氫速率下降。當(dāng)熱處理時間增加至90 min時，發(fā)酵5 h后幾乎檢測不到氫氣。

由圖1所示實驗數(shù)據(jù)擬合得到Rm、λ和P，擬合的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99。因此，累計產(chǎn)氫量隨時間的變化關(guān)系符合Gomperts模型。擬合所得到的3個參數(shù)被用于計算間歇實驗的產(chǎn)氫速率(如圖2所示)?？梢姡瑹崽幚?0 min的混合菌的產(chǎn)氫速率無明顯提高;當(dāng)熱處理時間增加至20～50 min時，產(chǎn)氫速率可提高46%～85%;當(dāng)熱處理時間繼續(xù)增加至90 min時，產(chǎn)氫速率下降16%。這表明時間過短的熱處理對混合菌系影響不大，但過長時間使得產(chǎn)氫菌的生長受到了威脅。因此實驗所用混合菌的熱處理時間應(yīng)控制在20～50 min。

2.2 紅外處理時間對混合菌產(chǎn)氫的影響

與可見光相比，紅外線具有較長的波長，較強的滲透性和較強的穿透組織的能力。遠紅外射線與傳導(dǎo)加熱相比，在致死溫度以上，細菌的生存率顯著下降。在40℃(致死溫度)以下，熱能越高細菌的生存率越低［18］。文獻［9］將牛糞堆肥紅外照射2 h獲得較大的累計產(chǎn)氫量;文獻［17］利用紅外處理活性污泥1 h，所得累計產(chǎn)氫量提高了24.6%。

本實驗對所用混合菌分別照射1 h，2 h和3 h后發(fā)酵，研究紅外照射時間對混合菌產(chǎn)氫的影響，實驗結(jié)果見圖3和圖4。從圖3和圖4可以看出:紅外照射1 h后的混合菌與未照射的混合菌相比，累計產(chǎn)氫量未見明顯變化，產(chǎn)氫速率略有增加。紅外照射2 h的混合菌發(fā)酵的產(chǎn)氫速率和累計產(chǎn)氫量都較未處理的混合菌有一定的增強作用，其中所得累計產(chǎn)氫量提高約20%，產(chǎn)氫速率提高32%。進一步增加紅外照射時間至3 h混合菌的產(chǎn)氫速率較照射2 h的產(chǎn)氫速率增加20%，但累計產(chǎn)氫量呈現(xiàn)下降趨勢。這說明1 h的紅外照射時間對于混合菌生態(tài)系未造成很大影響;增加紅外照射的時間至2 h，耗氫菌等一些高熱能細菌生存率下降，從而使產(chǎn)氫速率和產(chǎn)氫量都得到提高。但繼續(xù)增加紅外照射時間，產(chǎn)氫菌的生存也會受到威脅。

2.3 酸處理對混合菌產(chǎn)氫的影響

取自沼氣發(fā)酵池中的混合菌含有大量的產(chǎn)甲烷微生物，這些微生物適宜在中性或微堿性的環(huán)境中生長繁殖。產(chǎn)甲烷微生物的最適pH值為6.5～7.5，酸性(pH＜6.0)和堿性(pH＞8.0)環(huán)境對產(chǎn)甲烷微生物都是不利的。與產(chǎn)甲烷微生物不同的是，很多種產(chǎn)氫菌是耐酸的。例如，文獻［19］篩選得到1株高效厭氧產(chǎn)氫細菌B49，在pH 3.3仍能生長，最適pH值為3.9～4.2;文獻［20］篩選到1株遺傳性狀穩(wěn)定的高產(chǎn)氫耐酸突變株，在pH 3.0時仍能生長。通過酸性預(yù)處理，可以抑制耗氫菌［21］和產(chǎn)甲烷菌。

從圖5和圖6可以看出:酸處理對產(chǎn)氫延遲時間幾乎沒有影響，但對累計產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率有一定程度的影響。與未處理的混合菌相比，在pH為3～5的條件下處理的混合菌發(fā)酵所得累計產(chǎn)氫量可提高10%～20%。酸處理對產(chǎn)氫速率也有一定的影響，在pH=3條件下處理的混合菌的產(chǎn)氫速率較未處理時提高約39%。繼續(xù)增加H+的濃度，在pH=1條件下處理的混合菌的累計產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率則明顯下降。這是因為在較強的酸性環(huán)境中，產(chǎn)氫菌受到了融胞的威脅。與未處理的混合菌的發(fā)酵產(chǎn)氫過程相比，在pH=6的條件下預(yù)處理混合菌的產(chǎn)氫速率未見明顯提高，這可能是過低的H+濃度對混合菌系中產(chǎn)氫菌和好氫菌都不能產(chǎn)生較大的影響所致。

2.4 堿處理對混合菌產(chǎn)氫的影響

從圖7和圖8可以看出:在pH=8的條件下處理混合菌后的產(chǎn)氫過程較未處理時無明顯變化。但在pH=9條件下預(yù)處理混合菌所得產(chǎn)氫速率和累計產(chǎn)氫量分別達到22.6 mL/h和320 mL，較未預(yù)處理時分別提高83%和33%。在pH=10的條件下預(yù)處理牛糞堆肥較pH=9的條件下預(yù)處理的產(chǎn)氫速率和累計產(chǎn)氫量均有下降。分析以上現(xiàn)象，這是由于較高的OH－濃度使得細胞膜中的蛋白質(zhì)水解從而破壞了細胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細胞的酶系和結(jié)構(gòu)受到損害甚至分解菌體中的糖類，使耐受OH－能力較差的細胞(主要為一些耗氫菌)失活，并使其胞內(nèi)物質(zhì)釋放到周圍環(huán)境中，此時的產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率都有較大提高。當(dāng)pH超過10時，過高的OH－濃度使產(chǎn)氫菌也受到了一定程度的威脅，從而提前進入衰亡期，產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率都有下降。

3 結(jié)論

本文的研究結(jié)果表明:熱處理、堿處理、酸處理和紅外處理對產(chǎn)氫的延遲時間影響較小，但對產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率均有一定程度的提高，且產(chǎn)氫量與發(fā)酵時間的關(guān)系均符合Gompertz模型。不過，由于不同的預(yù)處理條件對混合菌系的組成有著不同的影響，因此對產(chǎn)氫過程的影響也不相同。其中，熱處理和堿處理對混合菌發(fā)酵的累計產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率的提高程度較大，紅外照射處理和酸處理對混合菌發(fā)酵產(chǎn)氫的影響相對較弱。最佳的熱處理條件為100℃，20～50 min，在該條件下累計產(chǎn)氫量和最大產(chǎn)氫速率較未處理時分別提高約30%和46%～85%。最佳的堿處理條件為pH=9，時間為24 h，在該條件下累計產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率分別提高33%和83%。最佳的紅外照射處理條件為照射2～3 h，最佳的酸處理條件為pH=3～5，時間為24 h。

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