茭白、葡萄、枇杷莖葉的產(chǎn)甲烷潛力

孫紅英，諶茂秋，徐彥勝，朱能敏*

(1.甘肅經(jīng)緯環(huán)境工程技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.成都新朝陽作物科學有限公司，四川 成都 610000； 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學研究所，四川 成都 610000)

隨著我國城市規(guī)模的立體化擴展，大中型城市周邊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸由傳統(tǒng)的水稻、小麥等糧食作物種植轉(zhuǎn)變成以水果、蔬菜等為主的非糧作物種植，隨之產(chǎn)生的大量作物莖葉的處理、處置已經(jīng)成為推進鄉(xiāng)村振興過程中亟待解決的環(huán)境問題。這些作物莖葉富含有機質(zhì)，可用作農(nóng)村戶用沼氣池發(fā)酵的原料以實現(xiàn)其穩(wěn)定化和資源化。長期以來，眾多學者對小麥、水稻和玉米等主糧作物秸稈產(chǎn)甲烷的可行性及其潛能開展了廣泛的研究，但對于非糧作物，特別是果蔬莖葉等廢棄生物質(zhì)產(chǎn)甲烷的可行性和潛能還鮮見研究報道[1-2]。鑒于此，本研究以典型非糧作物茭白莖葉、葡萄莖葉和枇杷莖葉作為底物進行厭氧產(chǎn)甲烷試驗，分析測定發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣量、甲烷含量，及其木質(zhì)纖維素含量和紅外光譜特征等，以期為廢棄生物質(zhì)的資源化利用和相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用廢棄生物質(zhì)系采自農(nóng)業(yè)種植區(qū)收獲果實后的茭白、葡萄、枇杷的莖葉。采集的莖葉經(jīng)過自然晾干、粉碎、過篩等預處理后冷藏備用。厭氧發(fā)酵菌種取自以廢棄蔬菜葉為底物的厭氧發(fā)酵罐。分析純及更高純度的化學試劑購自中國國藥集團，試驗用水由密理博(Millipore)純水儀(18.2 MΩ·cm-1)提供。

1.2 方法

各試驗組分別取1 g相應植物的莖葉、20 mL菌液[菌濃度(2～3)×108mL-1)]、50 μL微量元素溶液(2 mg·kg-1Co、2 mg·kg-1Ni、10 mg·kg-1Fe、10 mg·kg-1Mn和10 mg·kg-1Zn)和40 mL去離子水一并放入100 mL血清瓶中，調(diào)整碳氮比后通入高純氮氣將瓶中剩余空氣排走。在不添加作物莖葉、不調(diào)整碳氮比條件下取與試驗組相同的菌液、微量元素溶液和去離子水放入血清瓶中，排空剩余空氣作為空白組。密封后的血清瓶放入35 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進行發(fā)酵產(chǎn)甲烷。每組試驗設(shè)置3個平行，每天定時測定產(chǎn)氣量并取樣分析，發(fā)酵結(jié)束后取固相物自然風干備用。

1.3 測定

排水集氣法測定產(chǎn)氣量，氣相色譜-氫火焰離子檢測法測定甲烷含量，氣相色譜-熱導檢測法測定有機酸含量。元素分析儀(vario MICRO select)分析元素組成，美國國家可再生能源實驗室木質(zhì)纖維素測定法(NREL)分析木質(zhì)纖維素含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 莖葉基本理化指標

表1顯示，枇杷和茭白莖葉的總固體含量相近，大于葡萄莖葉；枇杷和葡萄莖葉的揮發(fā)性固體含量相近，小于茭白莖葉。三種植物莖葉的總氮含量相近。枇杷莖葉總碳含量最高、葡萄莖葉總碳含量最低。一般來說，適宜厭氧發(fā)酵的底物碳氮比為25～30[3]，從表1可以看出，茭白莖葉的碳氮比處于此范圍內(nèi)，而枇杷和葡萄莖葉的碳氮比在此范圍之外。

表1 供試植物莖葉的基本理化性質(zhì)

就厭氧微生物降解難易程度而言，生物質(zhì)中半纖維素是最易被厭氧微生物代謝的組成部分，纖維素次之，木質(zhì)素最難被降解[4]。如表2所示，茭白莖葉中半纖維素和纖維素含量最高。就此推測，茭白莖葉在供試材料中的可生物降解性最強。結(jié)合木質(zhì)纖維素組成、碳氮比和揮發(fā)性固體含量可以預判，3種莖葉中茭白莖葉的產(chǎn)甲烷潛力最高。

表2 供試植物莖葉半纖維素、纖維素和 木質(zhì)素構(gòu)成

2.2 發(fā)酵過程中pH及有機酸變化

適宜的pH是厭氧微生物進行正常生理代謝活動的必要條件。pH在6.5～7.5比較有利于厭氧微生物的生長代謝[5]。如圖1所示，3種植物莖葉在發(fā)酵過程中pH都處于堿性范圍(7.0～7.5)，且三者差異不顯著，發(fā)酵體系沒有出現(xiàn)嚴重酸化現(xiàn)象。

圖1 植物莖葉發(fā)酵過程中pH值變化

一般來說，發(fā)酵體系pH的變化與有機酸的產(chǎn)生、累積和消耗密切相關(guān)。由圖2～5可知，空白組中總有機酸累積濃度最低(<100 mg·L-1)，且以乙酸累積為主，枇杷和茭白組中以丙酸累積為主，最高濃度介于800～1 200 mg·L-1，所有發(fā)酵體系中丁酸的累積濃度都低于10 mg·L-1。這說明供試生物材料在生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸階段以產(chǎn)乙酸和丙酸為主。乙酸、丙酸濃度在發(fā)酵過程中都是先逐漸升高然后慢慢降低直到小于50 mg·L-1，表明隨著發(fā)酵的進行有機酸被慢慢降解轉(zhuǎn)化為甲烷。枇杷組中有機酸含量在70 d左右就穩(wěn)定在20 mg·L-1左右，葡萄組中有機酸含量在110 d后才逐漸穩(wěn)定，茭白組中有機酸含量在55 d左右就穩(wěn)定在5 mg·L-1左右。結(jié)果說明，茭白葉中的有機碳最易被厭氧微生物降解利用，且降解速率最快。

圖2 空白組發(fā)酵過程中有機酸含量變化

圖3 枇杷組發(fā)酵過程中有機酸含量變化

圖4 葡萄組發(fā)酵過程中有機酸含量變化

圖5 茭白組發(fā)酵過程中有機酸含量變化

2.3 紅外光譜特征變化

傅立葉紅外光譜能反映有機物中官能團結(jié)構(gòu)組成。如圖6所示，發(fā)酵前3種植物莖葉在850～900 cm-1都沒有檢測到任何的特征峰，但發(fā)酵后此波數(shù)范圍內(nèi)卻出現(xiàn)了一個在空白組中也檢測到的單肩尖峰，推測該峰可能是菌種中有機質(zhì)的特征峰，而非作物莖葉降解后形成的特征峰。發(fā)酵前枇杷莖葉和葡萄莖葉分別在1 700～1 750 cm-1、1 250～1 375 cm-1有一單肩弱峰，但這2個單肩峰在發(fā)酵后卻消失了。已有峰的消失和新峰的出現(xiàn)表明發(fā)酵過程中作物莖葉發(fā)生了分解，導致某些原有的有機官能團消失和新官能團形成。

圖6 厭氧發(fā)酵前后供試植物莖葉的紅外特征變化

沼氣產(chǎn)量能夠直接反映厭氧發(fā)酵過程和發(fā)酵效率。如圖7所示，空白組日產(chǎn)氣量在第一天達到8 mL，之后日產(chǎn)氣量幾乎都為0；葡萄莖葉日產(chǎn)沼氣量在前20 d較高，之后日產(chǎn)氣量降到5 mL以下，且零產(chǎn)氣量天數(shù)增多；枇杷莖葉日產(chǎn)氣量在前70 d波動較大，最高日產(chǎn)氣量達到25 mL；茭白莖葉日均產(chǎn)氣量在前40 d整體較高，最高達到了40 mL，日產(chǎn)氣量超過10 mL的時間也達到了20 d。從日產(chǎn)氣量有效持續(xù)時間可以判斷，供試植物中茭白莖葉產(chǎn)氣潛力最高。結(jié)合圖1中pH的變化，在整個發(fā)酵過程中3種植物莖葉發(fā)酵體系酸堿度適中，零日產(chǎn)氣量的出現(xiàn)可能與底物濃度低、微生物出現(xiàn)了貧營養(yǎng)的饑餓狀態(tài)有關(guān)。

圖7 供試植物發(fā)酵產(chǎn)沼氣動態(tài)

累計產(chǎn)氣量不僅能表明底物的產(chǎn)氣潛力，也能反映發(fā)酵過程中底物的降解效率。如圖7所示，空白組累計產(chǎn)氣量只有10 mL左右，說明在缺乏底物的條件下細菌只能利用自身細胞質(zhì)作為碳源和氮源進行內(nèi)源呼吸，產(chǎn)氣量有限。供試植物中，茭白莖葉累計產(chǎn)氣量最高(400.8 mL)，枇杷莖葉次之(250.8 mL)，葡萄莖葉最低(157.5 mL)，茭白莖葉的累計產(chǎn)氣量分別是葡萄莖葉和枇杷莖葉的2.5倍和1.6倍。此外，葡萄莖葉20 d累計產(chǎn)氣量接近總產(chǎn)氣量的90%，其產(chǎn)氣潛力幾乎完全釋放。枇杷莖葉發(fā)酵體系在40 d和70 d分別達到一個產(chǎn)氣量峰值，70 d之后累計產(chǎn)氣量趨于穩(wěn)定。茭白莖葉的累計產(chǎn)氣量不僅在前40 d快速增加，即使是在40 d之后其累計產(chǎn)氣量也依然在緩慢增加。

甲烷是沼氣中唯一的可燃組分，其在沼氣中的體積分數(shù)不僅決定了沼氣的品質(zhì)，而且直接反映了產(chǎn)甲烷菌的代謝活動。當發(fā)酵體系嚴重酸化時，沼氣中的二氧化碳體積分數(shù)顯著上升，而甲烷的體積分數(shù)明顯下降，且二氧化碳的體積分數(shù)高于甲烷[6]。如圖8所示，3種供試植物日產(chǎn)甲烷量的分布趨勢與日產(chǎn)沼氣量相似。茭白莖葉日產(chǎn)甲烷量在前40 d中超過5 mL的時間達到了15 d，最大值為每天20 mL，之后日產(chǎn)甲烷量依然保持在2～3 mL。枇杷莖葉日產(chǎn)甲烷量峰值出現(xiàn)在30～80 d，最高日產(chǎn)量為16.5 mL，但80 d后日產(chǎn)甲烷量下降，且日產(chǎn)量達到1.5 mL的天數(shù)不到10 d，其余時段內(nèi)日產(chǎn)量幾乎為0。葡萄莖葉日產(chǎn)甲烷量只在10～20 d超過了5 mL且最大日產(chǎn)量為13 mL，其余時段內(nèi)的日產(chǎn)量都不到2.5 mL，且零產(chǎn)甲烷天數(shù)較多。顯然，茭白莖葉的產(chǎn)甲烷潛力較枇杷莖葉和葡萄莖葉大，且產(chǎn)甲烷最快，說明茭白莖葉能較容易地被發(fā)酵過程中不同階段的微生物代謝利用，并最終轉(zhuǎn)化成為能源性氣體——甲烷。

圖8 供試植物發(fā)酵產(chǎn)甲烷動態(tài)

供試植物的累計產(chǎn)甲烷量變化趨勢與累計產(chǎn)沼氣量相似。茭白莖葉累計產(chǎn)甲烷量最高(182.3 mL)，枇杷莖葉次之(91.4 mL)，葡萄莖葉的累計產(chǎn)甲烷量最低(37.5 mL)，葡萄莖葉的累計產(chǎn)甲烷量只有茭白葉的1/5。茭白莖葉在前40 d的產(chǎn)甲烷速率在整個發(fā)酵周期內(nèi)最高，明顯高于其他2種植物莖葉的產(chǎn)甲烷速率。在40 d后，茭白莖葉發(fā)酵體系的甲烷產(chǎn)量仍在緩慢增加，但枇杷莖葉和葡萄莖葉發(fā)酵體系的累計甲烷產(chǎn)量在最高產(chǎn)氣速率之后就幾乎穩(wěn)定不變了。這表明，茭白莖葉中最易降解的成分被微生物快速利用后，剩下的有機組分仍能夠緩慢地被微生物代謝降解，但枇杷莖葉和葡萄莖葉中的剩余有機組分卻難以被微生物進一步利用。就累計產(chǎn)甲烷量達到穩(wěn)定的時間而言，葡萄莖葉達到穩(wěn)定的時間是茭白莖葉的1/2，而枇杷莖葉有2個亞穩(wěn)定時間(分別是40和70 d)。結(jié)合累計甲烷產(chǎn)量變化趨勢，葡萄莖葉較短的穩(wěn)定時間表明葡萄莖葉中易降解成分含量低，有效發(fā)酵時間短，產(chǎn)氣量(沼氣和甲烷)低。枇杷莖葉有2段穩(wěn)定時間，說明枇杷莖葉中易代謝降解成分含量也較低，但難降解成分含量并沒有葡萄莖葉高，故而在最易降解的有機組分被利用之后，剩下的有機組分還能夠在微生物協(xié)同作用下被緩慢代謝利用并出現(xiàn)第2個產(chǎn)氣穩(wěn)定期。

如表3所示，3種植物莖葉的半纖維素含量下降幅度都超過了70%，纖維素含量下降幅度只有茭白莖葉達到了28.34%，木質(zhì)素含量反而上升。這表明半纖維素對產(chǎn)甲烷的貢獻率基本能達到70%以上，而纖維素的貢獻率只有茭白莖葉達到了30%左右，木質(zhì)素對3種植物莖葉的產(chǎn)甲烷貢獻率均為0。發(fā)酵后3種供試植物中半纖維素含量均大幅下降，而木質(zhì)素含量不降反升。這說明半纖維素是厭氧微生物最易利用降解的組分，而木質(zhì)素較難被微生物代謝降解[7]。枇杷莖葉和葡萄莖葉半纖維素含量下降幅度較茭白莖葉小，原因可能是葡萄莖葉和枇杷莖葉中黃酮類和多酚類物質(zhì)在水解產(chǎn)酸階段被釋放進入液相產(chǎn)物，對厭氧微生物，特別是產(chǎn)甲烷菌的生理代謝產(chǎn)生了一定的抑制作用[7-8]，從而導致葡萄莖葉和枇杷莖葉發(fā)酵體系產(chǎn)氣量較小。

表3 供試植物莖葉發(fā)酵后木質(zhì)纖維素 相對含量降幅

3 討論

與乙酸相比，丙酸是較難被產(chǎn)甲烷菌代謝利用的有機酸之一，故而丙酸較乙酸更容易在發(fā)酵體系中累積[9]。然而在本研究中，葡萄莖葉發(fā)酵體系中卻以乙酸累積為主，說明葡萄葉發(fā)酵過程中的丙酸產(chǎn)量可能一直較低，葡萄莖葉組成不利于丙酸的產(chǎn)生。不同莖葉體系中，有機酸濃度開始下降以及最終達到平衡穩(wěn)定的時間并不一致，間接說明了不同植物莖葉發(fā)酵速率的差異。結(jié)合供試3種植物莖葉的木質(zhì)纖維素構(gòu)成可以推測，發(fā)酵前期茭白莖葉快速產(chǎn)氣主要是微生物代謝利用半纖維素導致的，當半纖維素被降解利用之后，水解產(chǎn)酸菌在協(xié)同配合下進一步水解纖維素，生成產(chǎn)甲烷菌可利用的底物。枇杷莖葉和葡萄莖葉的半纖維素含量小于茭白莖葉，這導致前期枇杷莖葉和葡萄莖葉的產(chǎn)甲烷速率都小于茭白莖葉。另外，葡萄莖葉纖維素含量最低但木質(zhì)素含量卻最高，在最易降解的半纖維素被利用完之后，水解產(chǎn)酸菌難以代謝剩下的大量木質(zhì)素，導致其產(chǎn)氣周期最短。枇杷莖葉的半纖維素和纖維素含量都高于葡萄莖葉，但木質(zhì)素含量卻低于葡萄莖葉；因此，當枇杷莖葉的半纖維素被快速利用之后，其中的部分纖維素被水解產(chǎn)酸菌水解生成能被產(chǎn)甲烷菌利用的底物，并在第一個產(chǎn)氣穩(wěn)定期后出現(xiàn)了第二個產(chǎn)氣峰值和穩(wěn)定期。

總體來看，本研究中生物質(zhì)厭氧產(chǎn)生的沼氣和甲烷量與底物中的半纖維素含量正相關(guān)，半纖維素對底物產(chǎn)氣的貢獻率達70%以上，即半纖維素在底物產(chǎn)氣潛力預測中的權(quán)重可達70%；因此，通過分析測定底物中的半纖維素含量就能夠基本預測該底物的產(chǎn)氣潛力。纖維素對底物產(chǎn)氣的貢獻率與生物質(zhì)材料種類密切相關(guān)，但其產(chǎn)氣貢獻權(quán)重小于半纖維素。木質(zhì)素對有機底物產(chǎn)氣的貢獻權(quán)重幾乎為0。