稀土元素對褐煤發(fā)酵產甲烷的影響*

馬力通 郝思雯 王亞雄，3 姬心悅

(1.內蒙古科技大學化學與化工學院，014010 內蒙古包頭；2.生物煤化工綜合利用內蒙古自治區(qū)工程研究中心，014010 內蒙古包頭；3.內蒙古自治區(qū)煤化工與煤炭綜合利用重點實驗室，014010 內蒙古包頭)

0 引 言

我國褐煤資源儲量豐富，但由于其煤化程度低，用作發(fā)電原料使用時，利用率低且易對環(huán)境造成污染。褐煤中氧含量及側鏈官能團較多，適合微生物轉化利用[1]，因此，利用厭氧微生物的幫助生產生物甲烷，是褐煤資源高效清潔利用的研究方向之一。

目前褐煤生物轉化存在甲烷產率低的問題，限制了褐煤的有效利用，而厭氧發(fā)酵由產甲烷菌等厭氧微生物協(xié)同互作完成，從微生物生長的角度增加產氣量值得深入研究[2-4]。已有文章報道低濃度稀土元素有利于增強微生物活性，而添加量過高時會產生抑制作用[5]，這種“低促高抑”的現(xiàn)象被稱為Hormesis效應[6]，且不同種類稀土元素對不同微生物的影響也不盡相同[7]。柴瑞娟等[8]報道了Ce3+和La3+對枯草芽孢桿菌細胞生長的影響，結果顯示兩種元素添加量分別為200 mg/L時，菌株活性最高。GE et al[9]發(fā)現(xiàn)Nd3+，La3+和Ce3+對Arnebiaeuchroma活性的影響呈先增強后變弱的趨勢，Nd3+，La3+和Ce3+添加量分別為0.1 mmol/L，0.02 mmol/L和0.1 mmol/L時，菌株生長最好。ZHANG et al[10]研究了La3+對大腸桿菌生長轉化的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度的La3+會抑制大腸桿菌攝取外源 DNA，影響其生長效果。NAKAGAWA et al[11]發(fā)現(xiàn)添加La3+后菌株生長正常同時甲醇脫氫酶(methanol dehydrogenase，MDH)活性得到增強，并首次提出稀土元素作為一個輔因子影響微生物代謝途徑及代謝過程中的酶。目前稀土化合物對混菌發(fā)酵，特別是以褐煤為底物的生物甲烷轉化的影響研究未見報道。為探索稀土元素對褐煤生物轉化產甲烷的影響，外加不同質量濃度的LaCl3和NdCl3，考察稀土元素對褐煤生物甲烷發(fā)酵過程中日產氣量、總產氣量、pH值、脫氫酶活性和乙酸質量濃度的影響，為提高褐煤基生物甲烷產量探索新途徑。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

活性污泥源于包頭市南郊污水處理廠，經厭氧馴化后，儲存于4 ℃的冰箱中。褐煤購自內蒙古赤峰市平莊煤礦，其工業(yè)分析和元素分析結果見表1。

表1 平莊褐煤的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of Pingzhuang lignite

1.2 實驗方法

本實驗采用全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)(AMPTSⅡ)，先將40 g粉碎至粒徑為0.065 mm(過60目篩)的褐煤和200 mL厭氧活性污泥加入發(fā)酵瓶中，然后分別添加不同質量濃度的LaCl3(見表2)和NdCl3(見表3)，調節(jié)初始pH值為7.0，加蒸餾水至400 mL，最后通氮氣驅除空氣120 s以提供厭氧條件，發(fā)酵溫度為50 ℃。在反應過程中，攪拌通過電機自動控制，每次攪拌1 min，間隔30 min進行一次。儀器自動記錄日產氣量和總產氣量，產氣量數(shù)據(jù)由每克褐煤產氣得出，每3天測量樣品的pH值、脫氫酶活性和乙酸質量濃度變化。本實驗采用兩組全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)、30個發(fā)酵反應瓶，形成10個質量濃度梯度，每個質量濃度3個平行，結果取平均值。

表2 添加不同質量濃度LaCl3的褐煤生物甲烷化反應體系Table 2 Lignite biomethanation reaction system with addition of different mass concentrations of LaCl3

表3 添加不同質量濃度NdCl3的褐煤生物甲烷化反應體系Table 3 Lignite biomethanation reaction system with addition of different mass concentrations of NdCl3

1.3 檢測方法

產氣量：通過AMPTSⅡ測定日產甲烷量和總產甲烷量，發(fā)酵單元產生的生物甲烷首先通過NaOH吸附單元，最后只有CH4才能進入氣體體積測量單元； pH值：采用雷磁PHS-25 pH計測定； 脫氫酶活性：采用分光光度法測定[12]；乙酸質量濃度：采用Agilent-1260 Infinity高效液相色譜儀測定，色譜柱為Agilent Hi-Plex H(7.7 mm×300 mm，8 μm)，檢測器為示差檢測器，柱溫設置為60 ℃，流動相采用0.005 mol/L硫酸溶液，流速為0.5 mL/min。

2 結果與討論

2.1 稀土元素對褐煤生物甲烷發(fā)酵過程中日產氣量的影響

圖1所示為添加不同質量濃度LaCl3和NdCl3對褐煤生物甲烷化日產氣量的影響。由圖1可以看出，在褐煤生物甲烷發(fā)酵前期的12 d內，添加稀土元素對日產氣量的促進作用明顯。空白組在第8天日產氣量最大，為2.15 mL/g，隨后日產氣量逐漸波動減少；LaCl3添加體系中，La4組日產氣量峰值明顯提高，在第10天為2.70 mL/g，且發(fā)酵過程中第5～6天和第9～11天共有兩次產氣高峰，產氣效果優(yōu)于其他組，La1，La2，La3和La5組日產氣量峰值分別為1.11 mL/g，1.20 mL/g，1.94 mL/g和2.03 mL/g，說明1 000 mg/L LaCl3能增強褐煤生物甲烷發(fā)酵體系中微生物活性，并延長產氣高峰期；NdCl3添加體系中，Nd1組在第9天日產氣量為2.25 mL/g，峰值明顯高于Nd2，Nd3和Nd4組的日產氣量峰值1.63 mL/g，1.58 mL/g和1.34 mL/g，揭示100 mg/L NdCl3可提高褐煤生物甲烷發(fā)酵的產氣速率。結果表明，加入適宜質量濃度的LaCl3和NdCl3有利于加快褐煤生物甲烷化體系的產氣速率，提高甲烷產量[13-14]。發(fā)酵完成后各組的碳含量發(fā)生改變，空白組、La4組和Ndl組碳含量分別降至60.43%，55.75%和58.85%，表明添加LaCl3和NdCl3有利于促進厭氧微生物對褐煤碳元素的利用，進而轉化產生更多的CH4。

圖1 添加不同質量濃度LaCl3和NdCl3對褐煤生物甲烷化日產氣量的影響Fig.1 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3on daily gas production of lignite biomethanation

2.2 稀土元素對褐煤生物甲烷發(fā)酵過程中總產氣量的影響

圖2所示為添加不同質量濃度LaCl3和NdCl3對褐煤生物甲烷化總產氣量的影響。由圖2可知，不同質量濃度LaCl3和NdCl3的添加對褐煤生物甲烷發(fā)酵總產氣量的影響存在差異。褐煤生物甲烷發(fā)酵進行27 d，空白組總產氣量為16.08 mL/g；LaCl3添加體系中，La4組總產氣量為23.81 mL/g，相比于空白組增加了48.1%，總產氣量顯著高于其他實驗組，表明LaCl3質量濃度為1 000 mg/L時可以明顯提高總產氣量；NdCl3添加體系中，Nd1組總產氣量為17.80 mL/g，比空白組總產氣量高10.7%，添加量超過100 mg/L后，總產氣量隨著NdCl3質量濃度的增加而逐步降低，Nd4組總產氣量僅為空白組的77.8%，這是因為一定質量濃度的La3+，Nd3+能增強細胞膜的通透性，使得微生物更好吸收和利用褐煤甲烷發(fā)酵系統(tǒng)的營養(yǎng)物質；然而過高質量濃度的La3+，Nd3+會吸附到產甲烷微生物周圍，阻礙營養(yǎng)物質進入微生物細胞[5]，使得產氣量下降。此外，高質量濃度的稀土元素也可能會與DNA，RNA和酶結合使其鈍化，從而產生抑制作用[15]。

圖2 添加不同質量濃度LaCl3和NdCl3對褐煤生物甲烷化總產氣量的影響Fig.2 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on total gas production of lignite biomethanation

2.3 稀土元素對褐煤生物甲烷發(fā)酵過程中pH值的影響

pH值是影響厭氧發(fā)酵產甲烷的重要元素之一，微生物的生長代謝與褐煤生物甲烷發(fā)酵過程pH值變化緊密相關。圖3所示為不同質量濃度LaCl3和NdCl3對褐煤生物甲烷化pH值的影響。由圖3可知，pH值整體呈先下降后波動上升的趨勢，各反應組起始pH值均為7.0?？瞻捉M在第3天pH值下降到6.45，后緩慢上升，在第21天達到峰值7.61，后期保持在7.47～7.61，這是因為褐煤有機質在水解階段積累了少量乙酸，使得pH值下降，隨后產甲烷階段，產甲烷菌利用小分子脂肪酸、甲基等與CO2逐步生成CH4[16]，乙酸含量減少，pH值上升。在LaCl3添加體系中，La4組pH值在第3天下降到6.45，后緩慢上升至峰值7.51，后期保持在7.40～7.51，處于厭氧發(fā)酵產甲烷的適宜的pH值范圍之內，與其他反應組相比pH值變化更平穩(wěn)，說明添加1 000 mg/L LaCl3有利于激活微生物抑制酸積累，促進褐煤生物甲烷化持續(xù)進行。NdCl3添加體系中，Nd1組pH值在第3天下降到6.50，然后在波動中上升至峰值7.59，與各組pH值變化相似，只是不同添加質量濃度下pH值峰值略有差異，隨著褐煤厭氧發(fā)酵不斷進行，發(fā)酵系統(tǒng)內微生物菌群相互競爭，引起pH值波動[17]。結果表明添加LaCl3和NdCl3能提高產甲烷微生物活性，抑制乙酸積累，保證褐煤生物甲烷化反應的持續(xù)進行[18]。

圖3 添加不同質量濃度LaCl3和NdCl3對褐煤生物甲烷化pH值的影響Fig.3 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on pH value of lignite biomethanation

2.4 稀土元素對褐煤生物甲烷發(fā)酵過程中脫氫酶活性的影響

脫氫酶能將氫從底物轉移到受體，其活性可以反映微生物菌群對底物的降解和轉化能力， 是評判厭氧發(fā)酵系統(tǒng)微生物活性的一個重要指標[19]。

圖4所示為添加不同質量濃度LaCl3和NdCl3對褐煤生物甲烷化脫氫酶活性的影響。由圖4可知，脫氫酶活性呈先上升后下降的趨勢，在反應開始階段，各反應組脫氫酶活性較低，空白組起始脫氫酶活性是48.5 μgTPF/(h·mL)，隨著厭氧發(fā)酵初期水解反應的進行，第6天脫氫酶活性增加到60.5 μgTPF/(h·mL)，由于褐煤甲烷發(fā)酵中營養(yǎng)物質不斷消耗以及pH值的改變，微生物活性逐漸變弱[19-20]；LaCl3添加體系中，La4組在整體發(fā)酵過程脫氫酶活性高于其他發(fā)酵組脫氫酶活性，在第9天脫氫酶酶活性最高，為399.8 μgTPF/(h·mL)，說明添加1 000 mg/L LaCl3可以促進甲烷發(fā)酵體系微生物的活性；NdCl3添加體系中，Nd1組脫氫酶活性在第9天達到峰值134.9 μgTPF/(h·mL)，明顯高于其他反應組脫氫酶活性。結果顯示添加LaCl3和NdCl3有助于增強厭氧發(fā)酵產甲烷微生物活性并提高微生物菌群對褐煤的降解能力。

圖4 添加不同質量濃度LaCl3和NdCl3對褐煤生物甲烷化脫氫酶活性的影響Fig.4 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on dehydrogenase activity of lignite biomethanation

2.5 稀土元素對褐煤生物甲烷發(fā)酵過程中乙酸質量濃度的影響

乙酸質量濃度是衡量厭氧發(fā)酵穩(wěn)定性的一個重要指標，在褐煤甲烷發(fā)酵過程中，褐煤有機質在厭氧微生物作用下分解生成乙酸，進而轉化為CH4，且乙酸含量與pH值變化緊密相關。

圖5所示為添加不同質量濃度LaCl3和NdCl3對褐煤生物甲烷化乙酸質量濃度的影響。由圖5可知，乙酸質量濃度呈先上升后下降的變化趨勢，空白組初始乙酸質量濃度是25.8 mg/L，在產氫產乙酸菌作用下褐煤中易分解的有機質降解產生乙酸，第9天乙酸質量濃度最高，達到188.6 mg/L，隨著褐煤甲烷發(fā)酵的進行，乙酸逐漸轉化為CH4，乙酸質量濃度減少[21]。LaCl3添加體系中，La4組乙酸質量濃度在起始階段為34.2 mg/L，第9天最高，為889.7 mg/L，明顯高于其他發(fā)酵組乙酸質量濃度，表明添加1 000 mg/L LaCl3組有更多的乙酸可轉化為CH4；NdCl3添加體系中，Nd1組初始乙酸質量濃度為26.3 mg/L，第9天乙酸質量濃度達到峰值1 133.8 mg/L，隨后乙酸逐漸轉化產生CH4，導致其質量濃度回落。添加稀土元素后乙酸質量濃度變化與前述總產氣量的變化趨勢一致，提示添加稀土元素LaCl3和NdCl3后產甲烷微生物活躍，乙酸轉化為生物甲烷的能力更強，褐煤轉化產甲烷量更高[22]。

圖5 添加不同質量濃度LaCl3和NdCl3對褐煤生物甲烷化乙酸質量濃度的影響Fig.5 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on mass concentration of acetic acid of lignite biomethanation

3 結 論

1) 添加稀土元素LaCl3和NdCl3有助于提高褐煤發(fā)酵產甲烷的能力。添加1 000 mg/L LaCl3時，總產氣量達到23.81 mL/g，與空白組總產氣量相比增加了48.1%；添加100 mg/L NdCl3時，總產氣量為17.80 mL/g，比空白組總產氣量增加了10.7%。

2) 添加稀土元素LaCl3和NdCl3的褐煤發(fā)酵反應體系脫氫酶活性顯著增強。添加1 000 mg/L LaCl3褐煤發(fā)酵組脫氫酶活性最高為399.8 μgTPF/(h·mL)，添加100 mg/L NdCl3褐煤發(fā)酵組脫氫酶活性峰值為134.9 μgTPF/(h·mL)，均遠高于空白組的60.5 μgTPF/(h·mL)，表明添加LaCl3和NdCl3有助于提高微生物對褐煤有機質的降解能力并提高甲烷產量，促進褐煤生物甲烷轉化。

3) 添加稀土元素LaCl3和NdCl3后，乙酸轉化為生物甲烷的能力更強。1 000 mg/L LaCl3組乙酸質量濃度最高達到889.7 mg/L，100 mg/L NdCl3組乙酸質量濃度峰值為1 133.8 mg/L，明顯高于空白組乙酸質量濃度188.6 mg/L，表明添加LaCl3和NdCl3有助于增強產甲烷微生物活性，提高乙酸轉化生物甲烷的能力，增加褐煤生物甲烷產量。稀土元素添加對環(huán)境的影響有待進一步深入研究。