氨氮質(zhì)量濃度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性及產(chǎn)甲烷菌群落的影響

朱教寧 ，高 莉 ，張靜璇 ，李永平 ，湯 昀 ，史向遠(yuǎn) ，王秀紅

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西太原 030031；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030031；3.有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030031；4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太原 030031）

我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年都會(huì)產(chǎn)出大量的農(nóng)業(yè)廢棄物。據(jù)測算，全國年產(chǎn)畜禽糞污量約為38億t，且以年均5%～10%的速度遞增[1]。2016年，山西省畜禽糞便產(chǎn)生量為3 410.97萬t，總生化需氧量和總氨氮產(chǎn)生量分別為70.85萬t和7.72萬t，其中以雞糞的占比最大[2]。調(diào)查結(jié)果顯示，我國年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈約為9.5萬t，其中玉米秸稈產(chǎn)生量最多，約占秸稈總量的42%[3]。畜禽糞便不經(jīng)過合理處置隨意堆放，易對(duì)土壤、水體和大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染，且會(huì)直接危害人類健康；而農(nóng)作物秸稈不加處理直接燃燒，同樣會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。厭氧發(fā)酵技術(shù)不僅能耗低，還能產(chǎn)生清潔能源沼氣，規(guī)模可大可小、適應(yīng)性強(qiáng)，已成為處理畜禽糞便和作物秸稈最為有效的技術(shù)之一[1，4]。由于混合發(fā)酵能夠平衡發(fā)酵原料的營養(yǎng)，增強(qiáng)發(fā)酵體系的緩沖能力，采用混合原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵已成為當(dāng)前沼氣工程的趨勢所在[5]。

雞糞中富含氮，而富氮類發(fā)酵原料在其厭氧消化過程中的氨氮抑制是引起發(fā)酵系統(tǒng)不穩(wěn)定、產(chǎn)氣效率下降的主要因素[6-7]。氨氮可直接抑制甲烷合成酶的活性，破壞產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)子平衡，從而降低產(chǎn)甲烷菌的活性，造成厭氧發(fā)酵系統(tǒng)失衡[6]。國內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)雞糞在不同發(fā)酵條件下的氨氮抑制問題開展了相關(guān)研究工作。周曼[7]研究認(rèn)為，雞糞高溫（45℃及55℃）干式厭氧發(fā)酵運(yùn)行中，氨氮質(zhì)量濃度逐漸達(dá)到約5 000 mg/L時(shí)，系統(tǒng)的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）出現(xiàn)持續(xù)累積，產(chǎn)氣效率降低，到反應(yīng)后期時(shí)產(chǎn)氣幾乎停滯。喬瑋等[8]在雞糞發(fā)酵過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)料濃度由5%提升至10%后，氨氮質(zhì)量濃度由2.5 g/L提升至6.1 g/L，系統(tǒng)受到抑制，甲烷產(chǎn)量下降100%。BUJOCZEK等[9]在高濃度雞糞的中溫發(fā)酵中發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，氨氮會(huì)逐漸積累至6 578 mg/L，產(chǎn)甲烷量較氨氮為4 000 mg/L時(shí)少50%。但是，關(guān)于雞糞和玉米秸稈混合發(fā)酵的氨氮抑制問題討論較少，不同氨氮質(zhì)量濃度對(duì)其產(chǎn)甲烷特性和微生物群落的影響還尚不明確。因此，本試驗(yàn)將雞糞和玉米秸稈以一定比例混合后作為發(fā)酵原料，研究不同氨氮質(zhì)量濃度對(duì)雞糞和玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性、發(fā)酵系統(tǒng)過程參數(shù)及產(chǎn)甲烷菌群落的影響，以期為雞糞和玉米秸稈混合發(fā)酵的規(guī)?；託夤こ痰姆€(wěn)定運(yùn)行提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

雞糞為山西省太谷縣鴻昊養(yǎng)殖專業(yè)合作社青年雞雞糞，去除雞毛等雜質(zhì)后于4℃的環(huán)境中保存待用；玉米秸稈取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)東陽試驗(yàn)示范基地，自然風(fēng)干后粉碎待用；接種物為實(shí)驗(yàn)室雞糞與玉米秸稈混合發(fā)酵后的消化液。試驗(yàn)原料的基本性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)原料的基本性質(zhì)Table 1 Basic characteristics of experiment material

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)室自制的1 L厭氧消化發(fā)生器，具體構(gòu)造和原理參照湯昀等[10]對(duì)試驗(yàn)裝置的描述。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用一次性進(jìn)料和出料的批次發(fā)酵方式，按照前期研究的結(jié)論[10]，設(shè)定雞糞和玉米秸稈的VS質(zhì)量比為6∶4，發(fā)酵料液VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%，接種物占比30%，料液總質(zhì)量為600 g，反應(yīng)溫度為中溫35℃，發(fā)酵時(shí)間為37 d。添加一定濃度的NH4Cl溶液使發(fā)酵系統(tǒng)的初始氨氮質(zhì)量濃度分別為1 500、3 000、4 500、6 000 mg/L，記為 T1～T4 處理；以不外加NH4Cl溶液的處理為對(duì)照，記為CK（本底氨氮質(zhì)量濃度為764.32 mg/L），各處理均設(shè)置5次重復(fù)。每天測定沼氣產(chǎn)量，每2 d測定1次甲烷含量，發(fā)酵第 0、5、15、25、35 天分別取樣測定 1 次發(fā)酵料液的pH值、總氨氮質(zhì)量濃度、揮發(fā)性脂肪酸質(zhì)量濃度等理化指標(biāo)。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別采用烘干法和灼燒法測定，差重法計(jì)算結(jié)果[11]；TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和TN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別采用TOC分析儀和凱氏定氮法測定[12]；沼氣產(chǎn)量采用排水集氣法測定；甲烷含量采用安捷倫7980B氣相色譜儀測定，具體方法參照龐震鵬等[13]的報(bào)道；pH值采用PHS-3C酸度計(jì)測定；總氨氮（TAN）的質(zhì)量濃度采用蒸餾中和滴定法（HJ 537—2009）測定；VFAs的質(zhì)量濃度采用比色法測定[11]。

1.5 計(jì)算方法

1.5.1 原料日產(chǎn)甲烷量

單位質(zhì)量發(fā)酵原料（以VS計(jì)）的日產(chǎn)甲烷量。日產(chǎn)甲烷量為日產(chǎn)沼氣量與甲烷含量的乘積，除以原料的質(zhì)量即為原料日產(chǎn)甲烷量，算法見公式（1）[14]。

式中，V甲烷為單位質(zhì)量 VS的日產(chǎn)甲烷量［mL/（d·gVS）］；V為日產(chǎn)沼氣量（mL/d）；W為沼氣中的甲烷含量（%）；M為發(fā)酵原料的VS質(zhì)量（g）。

1.5.2 游離氨（FAN）質(zhì)量濃度

游離氨（FAN）與 TAN、pH值、溫度存在公式（2）[15]中的等式關(guān)系，其質(zhì)量濃度由計(jì)算獲得。

式中，Ka為解離平衡常數(shù)；pKa在35℃時(shí)為8.95；pH為發(fā)酵液的pH值。

1.6 原料產(chǎn)甲烷量動(dòng)力學(xué)分析

采用修正的Gompertz模型[16]公式（3）對(duì)雞糞和玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵過程中的原料產(chǎn)甲烷量進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合。

式中，Y甲烷為t時(shí)刻的原料累積產(chǎn)甲烷量（mL/gVS）；P為反應(yīng)結(jié)束時(shí)的原料累積產(chǎn)甲烷量，即原料的產(chǎn)甲烷潛力（mL/gVS）；V甲烷，m為最大原料產(chǎn)甲烷速率［mL/（d·gVS）］；e=2.72；r為遲滯時(shí)間（d）。

1.7 微生物測定分析方法

在產(chǎn)氣末期（發(fā)酵第30天）對(duì)發(fā)酵料液取樣進(jìn)行微生物分析，每處理取3個(gè)重復(fù)樣品。采集的樣品委托北京百邁克生物科技有限公司進(jìn)行DNA的提取、擴(kuò)增和高通量測序。具體操作方法為：采用TGuide S96磁珠法土壤/糞便基因組DNA提取試劑盒完成DNA的提取。產(chǎn)甲烷古菌使用雙端引物 Arch349F（5′-GYGCASCAGKCGMGAAW-3′）和Arch806R （5′-GGACTACVSGGGTATCTAAT-3′）對(duì)16S V3和V4進(jìn)行擴(kuò)增。擴(kuò)增和純化后的樣品通過Illumina Novaseq測序平臺(tái)進(jìn)行高通量測序，從而進(jìn)行發(fā)酵過程產(chǎn)甲烷微生物的群落分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)甲烷性能

甲烷是沼氣的主要成分，甲烷含量越多，其熱值越高，因此，本試驗(yàn)以產(chǎn)甲烷量評(píng)價(jià)不同氨氮質(zhì)量濃度條件下的產(chǎn)氣效率。

2.1.1 原料日產(chǎn)甲烷量

由圖1可知，各處理原料日產(chǎn)甲烷量的整體變化趨勢大體一致，均為先升高后降低。但是，其到達(dá)高峰的時(shí)間和峰值卻不盡相同。CK和T1處理的原料日產(chǎn)甲烷高峰均出現(xiàn)在發(fā)酵第9天，峰值分別為13.44、12.02 mL/（d·gVS）；當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度為3 000 mg/L（T2處理）時(shí)，原料日產(chǎn)甲烷峰值的出現(xiàn)時(shí)間滯后，為發(fā)酵第11天，峰值為9.74 mL/（d·gVS）；當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度進(jìn)一步提高為4 500 mg/L（T3處理）和6 000 mg/L（T4處理）時(shí)，其原料日產(chǎn)甲烷峰值的出現(xiàn)時(shí)間分別延長至發(fā)酵第16、20天，峰值分別為9.59、6.12 mL/（d·gVS），分別較CK降低28.65%和54.48%。由此可見，氨氮質(zhì)量濃度越高，各處理原料日產(chǎn)甲烷量到達(dá)高峰所需要的時(shí)間越長，峰值也越低。這可能是因?yàn)楦甙钡|(zhì)量濃度抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性[17]。

圖1 不同氨氮質(zhì)量濃度下各處理的原料日產(chǎn)甲烷量Figure 1 Material daily methane production of treatments under different ammonia mass concentration

2.1.2 原料累積產(chǎn)甲烷量

由圖2可知，不同氨氮質(zhì)量濃度下，各處理的原料累積產(chǎn)甲烷量基本呈快速增長到趨于平緩的變化趨勢。隨著氨氮質(zhì)量濃度的提高，增長的斜率逐漸減小，快速增長期與平緩期拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間依次延后。這表明增加氨氮質(zhì)量濃度，降低了厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的速率且濃度越高速率越低，該結(jié)果與高文萱等[18]的報(bào)道結(jié)果一致。反應(yīng)結(jié)束時(shí)，各處理的原料累積產(chǎn)甲烷量由高到低的排序?yàn)镃K>T1>T2>T3>T4。T1處理與CK無顯著差異（P>0.05），T2～T4處理均顯著低于 CK（P<0.05），氨氮質(zhì)量濃度為 3 000、4 500、6 000 mg/L（T2～T4處理）時(shí)，其原料累積產(chǎn)甲烷量為119.50、96.60、64.52 mL/gVS， 較 對(duì) 照 分 別 降 低16.66%、32.67%、55.03%。由此可知，原料累積產(chǎn)甲烷量隨氨氮質(zhì)量濃度的增加而降低，氨氮質(zhì)量濃度為3 000 mg/L及以上時(shí)，對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生了明顯的抑制；其中T4處理的原料累積產(chǎn)甲烷量較CK下降超過50%，6 000 mg/L的氨氮質(zhì)量濃度已超過了IC50（半抑制濃度）。

圖2 不同氨氮質(zhì)量濃度下各處理的原料累積產(chǎn)甲烷量Figure 2 Material cumulative methane production of treatments under different ammonia mass concentration

眾多學(xué)者的研究結(jié)果表明，修正的Gompertz模型能較好地?cái)M合有機(jī)物厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)過程[19-21]。為此，本試驗(yàn)采用修正的Gompertz模型對(duì)各處理反應(yīng)體系的原料產(chǎn)甲烷量進(jìn)行了擬合（表2）。由表2可知，各處理R2均大于0.995，理論產(chǎn)甲烷量與實(shí)測值差異較小，擬合結(jié)果較好。擬合數(shù)據(jù)顯示，最大原料產(chǎn)甲烷速率和理論原料累積產(chǎn)甲烷量均隨氨氮質(zhì)量濃度的升高而降低，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。CK的理論原料累積產(chǎn)甲烷量和最大原料產(chǎn)甲烷速率分別為139.26 mL/gVS和11.61 mL/（d·gVS）。氨氮質(zhì)量濃度為1 500 mg/L的處理擬合值與CK相差較??；當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度＞1 500 mg/L時(shí)，理論原料累積產(chǎn)甲烷量和最大原料產(chǎn)甲烷速率均較CK降低，分別下降16.79%～53.18%和33.76%～61.67%。另外，氨氮質(zhì)量濃度的升高，會(huì)延長遲滯時(shí)間，CK的遲滯時(shí)間為2.93 d，當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度上升為1 500、3 000 mg/L時(shí)，遲滯時(shí)間分別增加至3.69、4.87 d，為CK的1.26、1.66倍；當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度為4 500、6 000 mg/L 時(shí)，遲滯時(shí)間為 8.39、13.69 d，已增加至CK的2.86、4.67倍。

表2 不同氨氮質(zhì)量濃度下各處理原料產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of material methane production kinetics of treatments under different ammonia mass concentration

2.2 發(fā)酵系統(tǒng)pH值和VFAs變化

圖3為各處理pH值和VFAs的變化曲線圖。由圖3可知，添加NH4Cl溶液的處理組初始pH值均較CK低，且氨氮質(zhì)量濃度越高，pH值越低。這是因?yàn)橥饧覰H4Cl溶液后增加了系統(tǒng)中NH4+的濃度，使得反應(yīng)式NH4++OH-NH3·H2O向右進(jìn)行，進(jìn)而系統(tǒng)pH值下降。隨著厭氧發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行，各處理組pH值整體上呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢。發(fā)酵第5天，各反應(yīng)體系中水解酸化菌迅速將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為VFAs等中間產(chǎn)物，引起pH值降低。隨后CK和T1處理的pH值開始逐漸升高，T2～T4處理則繼續(xù)下降，反應(yīng)進(jìn)行到第15天時(shí)降為最低，分別為 7.64、7.44、7.24。由圖3可知，各處理的 VFAs質(zhì)量濃度呈先升高后降低的整體趨勢。反應(yīng)開始后，各處理的VFAs質(zhì)量濃度均迅速升高，隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，CK與T1組的VFAs被產(chǎn)甲烷菌快速消耗，且消耗速度遠(yuǎn)大于VFAs的產(chǎn)生速度，VFAs的質(zhì)量濃度快速下降。T2的變化趨勢與CK近似，但是VFAs的下降速度明顯放緩，這是因?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌較水解酸化菌更容易受氨氮抑制，產(chǎn)甲烷菌的活性受限使得VFAs的消耗速度降低，相應(yīng)的產(chǎn)甲烷速率明顯下降，產(chǎn)甲烷高峰期滯后，這與孟曉山等[22]的研究結(jié)果一致。T3和T4處理組氨氮質(zhì)量濃度高，產(chǎn)甲烷菌活性受到嚴(yán)重抑制，VFAs的質(zhì)量濃度在反應(yīng)前期不降反升，發(fā)酵第15天時(shí)的VFAs分別達(dá)到峰值 4 295.89、6 841.79 mg/L，VFAs嚴(yán)重累積，之后隨著產(chǎn)甲烷菌活性的慢慢恢復(fù)，VFAs的質(zhì)量濃度開始下降，這與T3和T4處理產(chǎn)甲烷峰值延遲至第16、20天相對(duì)應(yīng)。

圖3 不同氨氮質(zhì)量濃度下各處理的pH值及VFAsFigure 3 pH value and VFAs of treatments under different ammonia mass concentration

2.3 發(fā)酵系統(tǒng)TAN和FAN的變化

由圖4可知，各處理TAN質(zhì)量濃度整體呈先升高后降低并趨于穩(wěn)定的趨勢，整個(gè)發(fā)酵過程中波動(dòng)較小。反應(yīng)初始階段，雞糞中含氮有機(jī)物質(zhì)快速分解為氨氮，導(dǎo)致各處理發(fā)酵系統(tǒng)中的TAN增加。隨后，CK和T1處理中的氨氮被產(chǎn)甲烷菌生長利用，氨氮質(zhì)量濃度在發(fā)酵第5天后開始降低。T2～T4處理由于產(chǎn)甲烷菌受到不同程度的抑制，TAN未被及時(shí)利用繼續(xù)慢慢升高，之后隨著產(chǎn)甲烷菌活性的恢復(fù)，TAN開始緩慢降低，整個(gè)發(fā)酵過程TAN均維持在一個(gè)較高的水平上。至反應(yīng)結(jié)束時(shí)，T2～T4處理的TAN質(zhì)量濃度分別為3660.62、5912.22、9004.38mg/L。反應(yīng)體系中氨氮的存在形式有兩種，包括NH4+和FAN，二者對(duì)產(chǎn)甲烷菌均有毒害作用，而FAN的毒性更大[23]。FAN的變化情況見圖4，各處理初始FAN的質(zhì)量濃度較高，為283.58～697.14 mg/L，這主要是由于初始pH值較高（7.87～8.72）引起的，隨著反應(yīng)的進(jìn)行FAN先降低后升高，整體上初始氨氮質(zhì)量濃度越高，F(xiàn)AN的質(zhì)量濃度越高。有研究認(rèn)為，200 mg/L是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的FAN抑制閾值[24-25]。CK和T1處理的FAN除了初始值高于200 mg/L的FAN抑制閾值外，其余發(fā)酵時(shí)段均低于這一抑制閾值。值得注意的是，發(fā)酵第15天時(shí)，T2～T4處理的FAN質(zhì)量濃度均處于200 mg/L以下，這是因?yàn)榘l(fā)酵前期高氨氮質(zhì)量濃度抑制了產(chǎn)甲烷菌的正常代謝，造成了VFAs積累、pH值下降；由公式（2）可知，溫度一定，TAN的變化較穩(wěn)定時(shí)，pH值降低FAN也隨之降低。TAN、VFAs、pH值和FAN的這種相互關(guān)系導(dǎo)致此時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)了“抑制型穩(wěn)態(tài)”，即系統(tǒng)各指標(biāo)在正常范圍內(nèi)，但產(chǎn)甲烷量很低[26-27]。其余發(fā)酵時(shí)間，T2～T4處理的FAN質(zhì)量濃度均高于200 mg/L，至反應(yīng)結(jié)束時(shí)T2～T4處理的 FAN質(zhì)量濃度分別達(dá) 288.38、375.01、535.30 mg/L。

圖4 不同氨氮質(zhì)量濃度下各處理的TAN及FANFigure 4 TAN and FAN of treatments under different ammonia mass concentration

2.4 產(chǎn)甲烷菌群落的變化

由圖5可知，CK和T1處理中甲烷鬃菌屬（Methanosaeta）為優(yōu)勢菌屬，相對(duì)豐度分別為42.38%、27.37%；甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）、甲 烷 囊 菌 屬 （Methaanoculleus） 和Candidatus_Methanoplasma的相對(duì)豐度分別為4.23%、2.64%、0.05%和6.02%、8.50%、0.38%。隨著氨氮質(zhì)量濃度的提升，Methanosaeta的相對(duì)豐度整體下降，而 Methanosarcina、Methaanoculleus和Candidatus_Methanoplasma的相對(duì)豐度逐漸上升。當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度為3 000 mg/L時(shí)，Methanosaeta的相對(duì)豐度降至 15.36%，而 Methanosarcina、Methaanoculleus和Candidatus_Methanoplasma的相對(duì)豐度分別上升至9.98%、12.04%和1.75%。當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度進(jìn)一步提升至 4 500、6 000mg/L時(shí)，Methanosaeta的相對(duì)豐度繼續(xù)下降至12.88%、6.69%，Methanosarcina和Methaanoculleus的相對(duì)豐度則分別提高至22.05%、26.80%和 12.33%、18.77%，二者取代Methanosaeta成為優(yōu)勢菌屬，Candidatus_Methanoplasma的相對(duì)豐度也分別提升至2.43%、8.56%。

圖5 各處理產(chǎn)甲烷菌的相對(duì)豐度（屬水平）Figure 5 Relative abundance of methanogens under different treatments（genus）

據(jù)報(bào)道，Methanosaeta為嚴(yán)格的嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌屬，在低氨氮質(zhì)量濃度的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，往往占據(jù)主導(dǎo)地位，但對(duì)氨氮特別是FAN較為敏感，氨氮質(zhì)量濃度高時(shí)其含量會(huì)明顯下降[28]。孟曉山等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氨氮投加量超過4 000 mg/L時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，Methanosaeta逐漸被具有較強(qiáng)氨氮耐受能力的Methanosarcina和Methaanoculleus替代；YANG等[15]的研究結(jié)果也表明，隨著氨氮的質(zhì)量濃度由2 g/L提高至5 g/L，嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌屬M(fèi)ethanosaeta減少，而氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌屬M(fèi)ethaanoculleu增加，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。Methanosarcina是一種兼性營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌屬，能同時(shí)利用乙酸和氫氣進(jìn)行產(chǎn)甲烷活動(dòng)，且其自身為不規(guī)則的細(xì)胞團(tuán)結(jié)構(gòu)，對(duì)高質(zhì)量濃度氨氮具有較強(qiáng)的抗性[29]。Methaanoculleus為氫營養(yǎng)型，研究人員發(fā)現(xiàn)在高氨氮環(huán)境中Methaanoculleus的相對(duì)豐度會(huì)大幅提升[30]，但是由于氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌屬的產(chǎn)甲烷速率明顯低于嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌屬，高氨氮質(zhì)量濃度的厭氧發(fā)酵體系的產(chǎn)甲烷效率普遍較低[31]，這與本試驗(yàn)中氨氮質(zhì)量濃度≥3 000 mg/L時(shí)，產(chǎn)甲烷量降低相吻合。Candidatus_Methanoplasma為甲基型和氫型混合營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌屬[32]，在本試驗(yàn)中其相對(duì)豐度隨著氨氮質(zhì)量濃度的升高而增加。孫娟等[33]的研究結(jié)果表明，在發(fā)酵系統(tǒng)VFAs質(zhì)量濃度越高Candidatus_Methanoplasma的相對(duì)豐度越大，這與本試驗(yàn)結(jié)果相符。

3 討論

玉米秸稈為富碳物料，干物質(zhì)含碳量通常在80%以上，將二者混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵有利于平衡原料的碳氮比，在一定程度上減緩氨氮抑制[34]。但是在本試驗(yàn)中，氨氮質(zhì)量濃度在3 000 mg/L時(shí)即出現(xiàn)了明顯的氨氮抑制，說明玉米秸稈的添加對(duì)雞糞氨氮抑制的緩解效果并不明顯，這與JAN等[35]、孫辰[36]的研究結(jié)果一致。張玉秀等[37]也研究認(rèn)為，通過添加富碳物料調(diào)節(jié)C/N來緩解氨氮抑制，其反應(yīng)過程較慢，僅在系統(tǒng)未被完全抑制前有一定的效果。

在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度≥3 000 mg/L時(shí)，產(chǎn)甲烷菌群發(fā)生了明顯的改變，表現(xiàn)為優(yōu)勢菌群由嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌屬向氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌屬轉(zhuǎn)變，表明產(chǎn)甲烷途徑已由氫利用型為主取代了乙酸利用型為主[22]。因此，有學(xué)者通過微生物長期馴化和接種、增強(qiáng)發(fā)酵系統(tǒng)中氨氮耐受能力較強(qiáng)的產(chǎn)甲烷菌株的群落數(shù)來緩解氨氮抑制。蔣建國等[38]通過長期馴化可使餐廚垃圾厭氧消化在氨氮質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)行；FOTIDIS等[39]通過長期馴化，將氨氮抑制的閾值由5 000 mg/L提升至7 000 mg/L。然而，微生物的生長速度較慢，馴化接種往往耗時(shí)過長，很難應(yīng)對(duì)發(fā)酵體系中氨氮質(zhì)量濃度的快速上升，因此，接種馴化在高負(fù)荷、高氨氮質(zhì)量濃度環(huán)境中的緩解效率還有待進(jìn)一步探討[38，40]。

4 結(jié)論

（1）隨著氨氮質(zhì)量濃度的升高，雞糞和玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵的原料累積產(chǎn)甲烷量逐漸降低。氨氮質(zhì)量濃度＜3 000 mg/L時(shí)，對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)無明顯抑制作用；氨氮質(zhì)量濃度≥3 000 mg/L時(shí)，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)受到氨氮抑制，F(xiàn)AN質(zhì)量濃度隨氨氮質(zhì)量濃度的提升不斷增加，VFA質(zhì)量濃度逐漸升高直至出現(xiàn)累積，原料累積產(chǎn)甲烷量不斷下降。（2）修正的Gompertz模型較好地反映了各處理組反應(yīng)體系的產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)過程，獲得了不同氨氮質(zhì)量濃度條件下雞糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵的理論原料累積產(chǎn)甲烷量和最大產(chǎn)甲烷速率。擬合結(jié)果表明，隨初始氨氮質(zhì)量濃度的提升，理論原料累積產(chǎn)甲烷量和最大產(chǎn)甲烷速率逐漸降低，遲滯時(shí)間延長。（3）氨氮質(zhì)量濃度＜3 000 mg/L時(shí)，嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌屬M(fèi)ethanosaeta為優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌。當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度≥3 000 mg/L時(shí)，隨著氨氮質(zhì)量濃度的提升，Methanosaeta的相對(duì)豐度逐漸降低，其主導(dǎo)地位逐漸被氨氮耐性更高的氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌屬M(fèi)ethanosarcina和Methaanoculleus取代。