α－酮戊二酸鹽對釀醋廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響

王　志　許　櫻　陳　雄　廖文談　王金華　李冬生

摘要釀醋廢水接種活性污泥后在厭氧、37℃和120rpm條件下進(jìn)行批培養(yǎng),添加α-酮戊二酸鹽(終濃度0.2g/L)促進(jìn)甲烷菌的三羧酸循環(huán)碳代謝和胞內(nèi)的鎳同化作用,使同化鎳含量比對照提高53.2%,這反映了以鎳為中心離子的F430的合成和以F430為輔酶的甲基CoM還原酶活性得到增強,并最終從產(chǎn)氣效率上反映出來,其添加α-酮戊二酸鹽(終濃度0.2g/L)揮發(fā)性乙酸鹽殘留量比對照減少27.3%,而沼氣總產(chǎn)量、TS和YP/V以及qp分別比對照提高了23.0%、11.1%、20.1%和10.7%,說明厭氧體系中添加α-酮戊二酸鹽可以促進(jìn)食醋廢水中的乙酸底物代謝流向終產(chǎn)物甲烷而非僅用于菌群繁殖,α-酮戊二酸鹽是通過提高菌群的甲烷合成能力來提高產(chǎn)氣,而非僅通過促進(jìn)菌群生長的群體優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞α-酮戊二酸鹽;厭氧發(fā)酵;沼氣;代謝

中圖分類號X797文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號 1007-5739(2009)15-0280-02

Effectofα-ketoglutarateonAnaerobicBatchMethaneFermentationofVinegarBrewingWastewater

WANG Zhi 1,2,3XU Ying1,2,3 CHEN Xiong 1,2,3LIAO Wen-tan1,2,3 WANG Jin-hua1,2,3 *LI Dong-sheng1,2,3

(1 College of Bioengineering,Hubei University of Technology,Wuhan Hubei 430068; 2 Key Laboratory of Fermentation Engineering(Minister of Education); 3 Hubei Provincial Key Laboratory of Industrial Microbiology)

AbstractThe effect of α-ketoglutarate on anaerobic batch methane fermentation of vinegar brewing wastewater was investigated at 37℃ and 120rpm. The results showed that α-ketoglutarate addition of 0.2g/L facilitated carbon metabolism of TCA cycle and assimilatory Ni in methan-ogenesis,thus enhancing assimilatory Ni concentration that was 53.2% higher than control,which reflected the improvements of F430 biosynthesis with Ni as central metal ion,and suggested the enhancement of methylreductase with coenzyme of F430. The 27.3% lower residually volatile acetate,the 23%、11.1%、20.1% and 10.7% higher biogas,TS,YP/V and qp suggested anaerobic vinegar brewing wastewater fermentation with α-ketoglutarate addition facilitated biogas production not only by increasing microorganism amounts,but also by enhancing the ability of methanogens to biosynthesize methane.

Key wordsα-ketoglutarate;anaerobic fermentation;biogas;metabolism

食醋釀造生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量高濃度有機廢水,其有機物和懸浮物含量高[1],排放會導(dǎo)致受納水體富營養(yǎng)化。國內(nèi)處理廢水的工藝主要包括厭氧水解-好氧處理方式以及活性污泥污水處理[2]。由于以乙酸為底物所形成的甲烷約占總量的60%[3],因而用釀醋廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣有其潛在的應(yīng)用價值和環(huán)保價值。厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣過程是產(chǎn)甲烷菌利用底物水解和產(chǎn)酸階段所生成的乙酸等簡單底物合成CH4等混合氣的過程[4],包括不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供生長和產(chǎn)甲烷所需要的基質(zhì)以及適宜的氧化還原電位條件,產(chǎn)甲烷細(xì)菌又為不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生化反應(yīng)解除了反饋抑制等[5]。因此,能夠影響混合菌群代謝活性以及改變其代謝狀態(tài)的因素會對產(chǎn)甲烷菌的活性和產(chǎn)氣效率產(chǎn)生顯著影響[6]。現(xiàn)主要考察α-酮戊二酸鹽對釀醋廢水厭氧發(fā)酵的影響,并由此探討厭氧菌群的代謝反應(yīng)以及提高產(chǎn)氣率、降低運行成本的有效模式。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1發(fā)酵培養(yǎng)基配方。釀醋廢水為自配水,配方為:NH4Cl 1.0g/L,MgCl2 1.0g/L,KH2PO4 0.4g/L,Yeast extract 1.0 g/L,Peptone 2.0g/L,Na2S 0.2g/L,CH3COONa 5.0g/L,微量元素液10mL。微量元素終濃度為:FeCl2 0.9g/L,H3BO3 0.06g/L,ZnCl2 0.07g/L,CuCl2 0.01g/L,MnCl2 0.06g/L,CoCl2·6H2O 0.12 g/L,NiCl2·6H2O 4.8g/L,Na2SeO3 0.02g/L,Na2WO4 0.03 g/L,Na2MoO4·2H2O0.025g/L。

1.1.2接種物?；钚晕勰嗖勺渣S石檸檬酸廠污水處理車間。

1.1.3試驗裝置。采用橡皮塞封口的250mL抽濾瓶作為反應(yīng)器,上口連接硅膠管進(jìn)入集氣系統(tǒng),在(37±1)℃的恒溫?fù)u床進(jìn)行批次發(fā)酵。

1.2試驗方法

1.2.1發(fā)酵體系裝配。配制培養(yǎng)基150mL,接種30mL,接種污泥液后,體系pH值調(diào)至7.0,并用氮氣(純度為99.9%,并經(jīng)除氧銅柱除氧)進(jìn)行體系氣體置換15min,橡膠塞密封后放入恒溫?fù)u床培養(yǎng),出氣管固定于15% NaOH水溶液置換瓶。搖床轉(zhuǎn)速120rpm。

1.2.2分析檢測方法。①產(chǎn)沼氣量檢測。采用水壓法收集發(fā)酵產(chǎn)生的氣體,根據(jù)排出15% NaOH溶液的體積定時記錄各套裝置的產(chǎn)氣量。②發(fā)酵液pH值及揮發(fā)性脂肪酸檢測。定時取樣后立即用pH計測定pH值。揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的檢測參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行。③總固形物(TS)含量及鈷含量檢測。TS含量:樣品8 000rpm離心15min,超純水充分洗滌,重復(fù)3次,置于105℃烘箱至恒重。TS用超純水充分洗滌,鎳濃度采用原子吸收光譜法檢測,方法參照文獻(xiàn)[8]進(jìn)行。

2結(jié)果與分析

2.1α-酮戊二酸鹽對釀醋廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響

不同α-酮戊二酸鹽添加量對厭氧培養(yǎng)96h的最終產(chǎn)氣量的影響如圖1所示。由圖1可知:產(chǎn)氣量隨其添加濃度的增加而提高,0.2g/L添加量產(chǎn)氣最高,比對照提高23.0%,但是當(dāng)添加量繼續(xù)增大(如0.3g/L)時,產(chǎn)氣量下降,比0.2g/L添加量減少15.2%。因此,發(fā)酵結(jié)束后,對對照組和0.2g/L添加組樣品進(jìn)行了檢測,以進(jìn)一步研究α-酮戊二酸鹽對釀醋廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣影響的機理。發(fā)酵指標(biāo)如表1所示。

由表1可知:添加α-酮戊二酸鹽(試驗組)厭氧發(fā)酵96 h的TS比對照提高了11.1%。說明α-酮戊二酸鹽的添加促進(jìn)了厭氧菌群的生長。釀醋廢水中的乙酸可以作為底物被厭氧菌群用于繁殖和合成CH4,其殘留量(試驗組)為0.24g/L,比對照減少27.3%,這也反映出更多的乙酸鹽底物被菌群利用,并引起pH值的提高,發(fā)酵結(jié)束時,比對照提高了4%。初步判斷添加α-酮戊二酸鹽可以促進(jìn)VFA向固形物質(zhì)(TS)和沼氣的轉(zhuǎn)化。乙酸鹽底物轉(zhuǎn)化效率的得率系數(shù)YP/V是484mL/g(試驗組),比對照提高了20.1%。沼氣的比生成速率qp說明單位菌群的沼氣合成能力,試驗組為7.04mL/g·h,比對照增加了10.7%,說明高產(chǎn)氣效率是通過提高菌群的甲烷合成能力來提高,而非僅通過促進(jìn)菌群生長的群體優(yōu)勢。

從代謝的角度分析,甲烷菌具有特殊的代謝網(wǎng)絡(luò),如:不完整的三羧酸循環(huán)代謝途徑[9]。甲烷菌具有運輸四碳、六碳二羧酸等有機物進(jìn)入細(xì)胞的轉(zhuǎn)運蛋白[10]。因此,外源α-酮戊二酸鹽可能參與三羧酸循環(huán)代謝,經(jīng)代謝生成更多的琥珀酰CoA,而該物質(zhì)是F430從頭合成的前體物質(zhì)之一[11]。甲烷合成最后一步是在甲基輔酶M 還原酶的催化下最終形成甲烷。而F430是甲基輔酶M還原酶的輔酶[12]。且F430是含鎳的四吡咯衍生物[8],鎳的充分供給與同化是甲烷高效合成必需的條件[13]。此外,對于嚴(yán)格厭氧發(fā)酵而言,電子需要在鎳鐵硫電子載體的參與下,把電子傳遞給產(chǎn)甲烷過程中需要電子還原的反應(yīng)[14]。因而厭氧體系中同化于厭氧菌群的鎳可以反映出甲基輔酶M還原酶的活性以及甲烷合成效率。

2.2α-酮戊二酸鹽對釀醋廢水厭氧發(fā)酵體系鎳同化的影響

由圖2可知,添加α-酮戊二酸鹽使體系同化的鎳含量為113.6μg(Ni)/g(TS),比對照提高了53.2%。說明其促進(jìn)了三羧酸循環(huán)的碳代謝,提高了細(xì)胞對鎳的需求和甲烷菌群胞內(nèi)的鎳同化作用,促進(jìn)了F430的合成以及甲烷合成電子傳遞效率和甲基輔酶M還原酶的活性,并最終從產(chǎn)氣效率(YP/V、qp)上反映出來。

3結(jié)論

試驗結(jié)果表明,外源α-酮戊二酸鹽促進(jìn)釀醋廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣,以0.2g/L添加量產(chǎn)氣最高,比對照提高23.0%,TS比對照提高了11.1%,而揮發(fā)性乙酸鹽殘留量比對照減少27.3%,說明α-酮戊二酸鹽添加促進(jìn)厭氧體系總固形物TS增加,促進(jìn)揮發(fā)性脂肪酸VFA向固形物質(zhì)(TS)和沼氣的轉(zhuǎn)化。α-酮戊二酸鹽的存在使YP/V和qp分別比對照提高20.1%和10.7%,說明高產(chǎn)氣效率是通過提高菌群的甲烷合成能力來提高,而非僅通過促進(jìn)菌群生長的群體優(yōu)勢。添加α-酮戊二酸鹽后,促進(jìn)甲烷菌三羧酸循環(huán)的碳代謝,促進(jìn)了甲烷菌群胞內(nèi)的鎳同化作用,使同化鎳含量相對于對照提升了53.2%,并最終從產(chǎn)氣效率上反映出來。

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