Ce3+對厭氧產(chǎn)氫性能影響

趙明星， 王永會， 阮文權

（江南大學 環(huán)境與土木工程學院，江蘇 無錫214122）

厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫是生成清潔能源氫氣的有效途徑之一，因其具有高效性和經(jīng)濟性而受到人們的關注[1]。在產(chǎn)氫過程中，產(chǎn)氫微生物活性的高低是影響產(chǎn)氫效率的重要因素之一。先前的研究表明，金屬離子對微生物生長、能量代謝和酶活性保持等方面有重要作用[2]。一些學者針對某些金屬元素如Fe、Co、Ni等在投加濃度、產(chǎn)氫效率促進效應和酶活影響等方面展開了較全面的研究[3]。

相對于上述金屬元素，稀土元素是一類光譜性較強的元素，研究表明稀土元素能通過與細胞膜結合影響膜上有關酶的活性或改變膜的通透性，調(diào)節(jié)細胞的信息傳遞系統(tǒng)，影響細胞內(nèi)一系列生理、生化變化，從而影響微生物活性[4]。Liu等[5]發(fā)現(xiàn)La3+會增大Escherichia coli細胞膜的通透性，從而更容易被溶解酶攻擊。夏青等[6]發(fā)現(xiàn)一定濃度的La3+和Ce3+能提高VFA（Volatile fat acid）轉化為甲烷的效率。但關于稀土元素對產(chǎn)氫的影響報道較少。作者通過分析添加不同質(zhì)量濃度Ce3+對產(chǎn)氫過程中各指標的變化，明確Ce3+對廢水產(chǎn)氫效率的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗用水

試驗用水采用人工模擬廢水[7]，具體成分見表1。

表1 模擬廢水成分Table 1 Constituents of synthetic wastewater

1.2 產(chǎn)氫微生物

產(chǎn)甲烷顆粒污泥取自蘇州某企業(yè)的IC反應罐，經(jīng)121℃、15 min熱處理后作為產(chǎn)氫污泥。熱處理后的產(chǎn)氫污泥經(jīng)活化后用于本實驗。產(chǎn)氫污泥TS為11.35%，VS為73.89%。

1.3 實驗裝置

采用500 mL的血清瓶作為反應容器，置于（35±1）℃的振蕩水浴鍋中進行發(fā)酵，氣體收集采用排水法，具體實驗裝置見文獻[8]。

1.4 實驗方法

取350 mL實驗用水于反應裝置中，添加不同的Ce3+元素，使Ce3+在反應瓶中的質(zhì)量濃度分別為0.025、0.05、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L，再向各個反應瓶中加入一定量的產(chǎn)氫污泥，調(diào)節(jié)各個反應瓶中的pH至7.5，充10 min氮氣維持厭氧狀態(tài)后進行產(chǎn)氫實驗，產(chǎn)氫過程中未調(diào)節(jié)pH值。以不添加Ce3+的反應瓶為對照。每組做3個平行樣，圖中數(shù)據(jù)為平行樣的平均值。

1.5 測定方法

TS（Total soid），VS（Volatile solid）:采用質(zhì)量法[9]；葡萄糖:采用 DNS法[10]；脫氫酶酶活:采用 2-3-5-triphenyltetrazolium chloride（TTC）為底物，經(jīng)脫氫酶催化還原反應后生成紅色產(chǎn)物T TCH2-trifenylformazane（TF），根據(jù)TF顏色測定脫氫酶活性[11]。

氫氣:采用氣相色譜儀（GC910，上?？苿?chuàng)色譜儀器有限公司），熱導檢測器，色譜柱為不銹鋼填充柱，填料為5A分子篩，柱長:1 m×φ6 mm，柱溫90℃，汽化溫度100℃，檢測器溫度100℃，載氣為氬氣。

揮發(fā)性脂肪酸（VFA）:采用液相色譜儀（Agilent 1100，美國）測定，柱子型號 ZORBAX SB-Aq，柱長150 mm，直徑4.6 mm，流動相為0.5%乙腈，99.5%KH2PO4（0.02 mol/L），pH 2.0（用磷酸調(diào)節(jié)），流動相流速0.5 mL/min。進樣量10 μL，柱溫30℃，檢測器為紫外檢測器（210 nm）。

對產(chǎn)氫量采用Gompertz模型進行非線性擬合[12]:

其中，H為累計產(chǎn)氫量 （mL）；P為最大產(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），e為自然對數(shù)。

2 結果與討論

2.1 添加Ce3+對產(chǎn)氫量影響情況

圖1為各反應組的產(chǎn)氫情況，可知經(jīng)過約4 h的延遲期后各組開始產(chǎn)氣，產(chǎn)氣集中在第4～13小時，從第13小時后產(chǎn)氣量變化不大。最終產(chǎn)氫量先隨著添加Ce3+質(zhì)量濃度的增加而提高，但從添加0.1 mg/L后開始下降。添加0.1 mg/L組的產(chǎn)氫量最大，達到123.2 mL/g，比對照提高20.3%。添加10.0 mg/L組的產(chǎn)氫量最低，為89.2 mL/g，是對照的87.1%。

圖1 添加不同Ce3+下各組分的產(chǎn)氫情況Fig.1 Hydrogen yield by adding different concentration of Ce3+

添加不同質(zhì)量濃度Ce3+的產(chǎn)氫動力學模型參數(shù)見表2。在所有反應組中，添加0.1 mg/L組表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，各產(chǎn)氫組的Rm中，添加0.1 mg/L組＞添加0.05 mg/L組＞添加0.5 mg/L組＞添加0.025 mg/L組＞對照＞添加5.0 mg/L組＞添加1.0 mg/L組＞添加10.0 mg/L組。隨著添加Ce3+質(zhì)量濃度的提高，產(chǎn)氫延長時間λ也增加，這主要是由于Ce3+會吸附到微生物表面，質(zhì)量濃度越大越會延緩微生物利用葡萄糖進行代謝的速率。從最大比產(chǎn)氫率分析，添加0.1 mg/L組的最大比產(chǎn)氫率是對照的1.32倍。

表2 添加不同濃度Ce3+產(chǎn)氫動力學參數(shù)Table 2 Kinetic parameters of hydrogen generation by adding different concentration of Ce3+

研究結果表明，添加一定質(zhì)量濃度的Ce3+能促進產(chǎn)氫效率，而過高質(zhì)量濃度對產(chǎn)氫有抑制作用，具有hormesis效應。一定質(zhì)量濃度的Ce3+會擴大微生物細胞膜的通透性，有利于微生物從外界環(huán)境中吸收和利用營養(yǎng)物質(zhì)。然而高質(zhì)量濃度的Ce3+會在細胞膜表面形成正電子層，阻礙營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞。同時高質(zhì)量濃度的Ce3+會與DNA、RNA和酶結合引起這些物質(zhì)的鈍化，導致抑制效應[13]。這與夏青等[14]發(fā)現(xiàn)Ce3+對產(chǎn)甲烷的低促高抑效應的結論相類似。但本實驗的最佳Ce3+添加質(zhì)量濃度較夏青等[14]高，這主要可能是產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷微生物性質(zhì)不同而引起的。

2.2 添加Ce3+對VFA量影響情況

氫氣是伴隨著VFA的產(chǎn)生而生成的，分析VFA的變化能對產(chǎn)氫起到一定的指導作用。由圖2可知，各個反應組的VFA量都隨著反應時間的延長而增加。各個組分VFA的增加時間為第3～13小時。第13小時各個反應瓶中的VFA為3 020.0、3 264.1、4 350.3、4 481.8、3 199.4、2 363.7、2 691.6、1 933.1 mg/L，分別比第 3小時增加了2 596.0、2 457.2、3 303.8、3 884.7、2 797.8、2 205.1、2 092.4、1 803.4 mg/L。反應結束后，添加0.1、0.05 mg/L組的VFA 量較大，分別為 4 511.8、4 420.3 mg/L，是對照的1.49和1.46倍。而10.0 mg/L組的VFA量最低，為1 993.1 mg/L，是對照的65.8%。梁睿等[15]發(fā)現(xiàn)投加Ce3+在1～10 mg/L時，反應體系會出現(xiàn)一定程度的VFA累積。

圖2 產(chǎn)氫過程中各組分VFA變化情況Fig.2 Change of VFA during hydrogen process by adding different concentration of Ce3+

分析圖1和圖2可知，產(chǎn)氫量與VFA的變化趨勢較一致，前3小時產(chǎn)氫微生物處于適應期，從第3小時候后葡萄糖迅速酸化，產(chǎn)生大量VFA，同時伴隨氫氣的迅速產(chǎn)生，從第13小時后，隨著底物的耗盡，VFA保持穩(wěn)定，氫氣量也變化不大。

2.3 各反應組最終葡萄糖利用率與pH情況

反應結束后，各組分的葡萄糖利用率和pH情況見圖3。從圖3可知，葡萄糖利用率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中0.1 mg/L組的利用率最大為92.1%，而10.0 mg/L組的利用率最小，為76.2%。實驗表明，添加一定量的Ce3+有利于激活微生物活性，從而提高葡萄糖的利用。

產(chǎn)氫是伴隨著有機酸的生成而產(chǎn)生的，但有機酸的累積會使體系pH值下降[16]。在反應結束后，各反應組的pH維持在5.0～5.08。隨著產(chǎn)氫的進行，葡萄糖大量降解為有機酸，有機酸累積使得pH下降。由于反應過程中各組分都未調(diào)節(jié)pH，因此pH從初始的7.5降到最終的5.0左右。

圖3 反應結束后各組分的葡萄糖利用率和pH情況Fig.3 Utilization of glucose and final pH after reaction

2.4 產(chǎn)氫過程中脫氫酶酶活變化情況

脫氫酶與細胞內(nèi)的氧化磷酸化過程緊密相關，是反映厭氧發(fā)酵體系中微生物活性的一個重要指標[17-18]，對添加0.1、10.0 mg/L組和對照進行了脫氫酶活的分析。從圖4可知，脫氫酶都是呈先增加后降低趨勢。對照組和0.1 mg/L組前3小時酶活達到最大，為 4 583.9、5 042.3 μg/（g·h），隨后酶活都下降，反應結束后酶活為 984.3、1 305.3 μg/（g·h）。 而添加10.0 mg/L組的酶活最大出現(xiàn)在第5小時，為3 405.4 μg/（g·h），是添加 0.1 mg/L 組的 67.54%。

圖4 反應過程中脫氫酶的變化Fig.4 Change of dehydrogenase enzyme during anaerobic process

一開始隨著反應的進行，酶活不斷增大，這主要是開始時底物充足，微生物大量降解葡萄糖，整個體系中的微生物處于增長期，酶活性較高。隨著底物的消耗和反應體系中pH的降低，微生物活性受到抑制，酶活下降。分析3個組分可知，添加10.0 mg/L組出現(xiàn)峰值的時間較其他兩組晚，這可能是隨著添加稀土元素的增加，吸附到微生物表面的量越多，使得活性受到抑制，酶活較低而且出現(xiàn)高峰的時間較晚。夏青等[13]研究發(fā)現(xiàn)，添加一定質(zhì)量濃度的Ce3+有利于產(chǎn)甲烷菌F420酶活的提高，而過高質(zhì)量濃度會降低酶活。比較圖1和圖4可知，酶活出現(xiàn)高峰的時間都在產(chǎn)氫高峰前，這主要可能是酶活的高表達為產(chǎn)氫高峰做好前期鋪墊。這與李永燦等[19]研究結果較一致。

3 結語

研究了添加稀土元素Ce3+對廢水產(chǎn)氫的影響。結果表明，添加0.1 mg/L組對產(chǎn)氫的促進作用最明顯，產(chǎn)氫量達到123.2 mL/g，比對照提高20.3%。Gompertz模型表明，添加0.1 mg/L組最大比產(chǎn)氫率是對照的1.32倍。產(chǎn)氫過程中各組的VFA量都是先增加后趨于穩(wěn)定。最終各組的葡萄糖利用率在76.2%～92.1%，pH 下降至 5.0～5.08。 添加 0.1、10.0 mg/L組和對照組的脫氫酶都呈先增加后降低的趨勢，添加0.1 mg/L組對脫氫酶有促進作用，酶活最大達到 5 042.3 μg/（g·h），比對照提高 10.0%。

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