納米氧化鋅對牛糞厭氧消化水解酸化進(jìn)程的影響研究

齊路晴,劉旭娜,盧媛媛,楊 平,龐麗娜,2*

(1.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610065;2.愛丁堡大學(xué) 工程學(xué)院,英國 愛丁堡 EH9 3JL)

畜禽糞便引發(fā)的環(huán)境和公共安全問題倍受關(guān)注[1]。厭氧消化是畜禽糞便常用的資源化處理方法之一,主要包括水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷階段[2]。其中,水解酸化是畜禽糞便厭氧消化的重要限速步驟,其進(jìn)程會受眾多因素的影響,包括含重金屬、抗生素等的外源飼料添加劑,直接影響后續(xù)的產(chǎn)沼氣過程[3]。納米氧化鋅(zinc oxide nanoparticles,ZnO NPs)具有較高的生物利用率,近年來常替代傳統(tǒng)氧化鋅作為飼料添加劑在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中應(yīng)用,若施用不當(dāng),會造成ZnO NPs在畜禽糞便中大量殘留,進(jìn)而可能影響水解酸化的進(jìn)程[4]。程書波等[5]發(fā)現(xiàn)120 mg/L ZnO NPs能抑制污泥中有機(jī)物的溶出,阻礙大分子有機(jī)物的水解。再者,ZnO NPs還會降低厭氧消化體系中蛋白酶和纖維素酶的活性,抑制溶解性多糖(soluble polysaccharides,SC)和溶解性蛋白質(zhì)(soluble proteins,SP)的降解,例如,前期研究指出50 mg/g總固體(total solids,TS)的ZnO NPs能夠使體系中SP和SC的降解效率分別降低35.57%和28.61%[6-7]。此外,ZnO NPs(5～500 mg/L)還會抑制揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs)的轉(zhuǎn)化,造成大量VFAs在厭氧消化系統(tǒng)中積累,從而影響厭氧消化后續(xù)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程及最終產(chǎn)甲烷效果[8]。然而,底物不同也會造成厭氧消化效果的顯著差異,當(dāng)前ZnO NPs對厭氧消化過程中水解酸化階段的影響研究多集中在剩余污泥體系,對畜禽糞便厭氧消化過程中水解酸化的動態(tài)影響及深層機(jī)制尚缺乏認(rèn)識。因此,本研究旨在探討不同濃度ZnO NPs對畜禽糞便厭氧消化中水解酸化進(jìn)程的影響及作用機(jī)制,為外源污染下的畜禽糞便資源化利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 納米氧化鋅和畜禽糞便

ZnO NPs干燥顆粒購買于中國阿拉丁試劑有限公司,純度為99.8%,粒徑80～100 nm。試驗使用的10 g/L ZnO NPs懸浮液制備步驟為:ZnO NPs與超純水通過磁力攪拌混合30 min之后,于25 ℃、250 W、40 kHz的條件下超聲1 h,備用[9]。

牛糞作為本研究中的厭氧消化基質(zhì),取自四川巴中,混合均勻后放入冰箱冷凍儲存。牛糞的主要理化性質(zhì)測定結(jié)果為:總固體含量(TS)為27.38%±5.23%(質(zhì)量比),揮發(fā)性固體(volatile solids,VS)含量為23.97%±4.56%(質(zhì)量比),總有機(jī)碳(total organic carbon,TOC)含量為352.72±25.70 mg/g TS。

1.2 試驗設(shè)計

牛糞厭氧消化試驗裝置采用BIOPROCESS自動甲烷潛力測試儀。反應(yīng)瓶均置于水浴鍋中,單個反應(yīng)瓶總體積為650 mL,工作體積為400±10 mL。產(chǎn)生的沼氣經(jīng)NaOH吸收瓶后通入氣體計量單元。試驗前,依次向反應(yīng)瓶中通入氮?dú)庖詫?shí)現(xiàn)厭氧反應(yīng)條件。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研,當(dāng)前鋅在畜禽糞便中的濃度范圍介于39.5～11 379.0 mg/kg(干重)[10-11],相當(dāng)于49.2～14 180.0 mg/kg(干重)的ZnO。此外,含ZnO NPs的飼料添加劑應(yīng)用或者管理不當(dāng)可能導(dǎo)致ZnO NPs含量極高。據(jù)此,本研究共設(shè)置3個試驗組G1、G2、G3和1個對照組G0。其中G1、G2和G3分別添加5、30和100 mg/g TS的ZnO NPs,涵蓋了ZnO NPs在畜禽糞便中的正常水平和極端水平,可為ZnO NPs飼料添加劑應(yīng)用中的畜禽糞便處理處置和重金屬污染評價提供參考。牛糞厭氧消化正式試驗共運(yùn)行30 d,并且采集第0、1、6、14、22、30天的樣品用于后續(xù)分析。試驗前用3 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)初始pH。牛糞厭氧消化條件為55 ℃、TS=6%、初始pH=10。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 理化指標(biāo)測定 牛糞厭氧消化中水解酸化進(jìn)程的理化指標(biāo)分析項目包括溶解性化學(xué)需氧量(soluble chemical oxygen demand,SCOD)、SC、SP、VFAs、pH、TS和VS。測定方法如表1所示。

表1 理化性質(zhì)測定方法

由于乙酸、丙酸和丁酸是牛糞厭氧消化水解酸化階段產(chǎn)生的主要VFAs,因此對其進(jìn)行定量檢測以表征酸化效果。本研究中3種VFAs均使用氣相色譜法進(jìn)行定量分析,其色譜柱型號為DB-FFAP(30 m×0.32 mm×0.25 μm),檢測器為火焰離子檢測器,單次進(jìn)樣2 μL,每個樣品測3次,取平均值分析,氣相色譜法調(diào)用的方法數(shù)參考之前的研究[17]。根據(jù)3種待測VFAs在色譜柱中停留時間(出峰時間)的差異,計算對應(yīng)峰面積的大小,得到樣品中VFAs的含量?？倱]發(fā)性脂肪酸(total volatile fatty acids,TVFAs)的濃度為乙酸、丙酸和丁酸濃度之和?？紤]到上述VFAs分子量的差異,統(tǒng)一將單位換算為mg COD/g TS。

PCR擴(kuò)增產(chǎn)物回收純化并檢測定量后,使用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit構(gòu)建PE文庫,在Illumina公司的Miseq PE300平臺進(jìn)行測序。測序得到的原始序列使用fastp[19]進(jìn)行質(zhì)控,并通過FLASH對序列進(jìn)行拼接[20]。通過UPARSE[21]對質(zhì)控拼接后的序列進(jìn)行OTU聚類,并導(dǎo)出OUT表格,最后用RDP classifier進(jìn)行物種注釋,比對Sliva 16S rRNA的數(shù)據(jù)庫(v183)得到物種的相對豐度[22]。最后通過美吉生物云平臺提供的在線工具進(jìn)行生物信息分析和可視化處理。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 水解產(chǎn)物的變化

SCOD、SP和SC的濃度變化趨勢如表2所示。SCOD濃度:G0組在第1天達(dá)到最高(114.49±3.86 mg/gTS)后開始下降;而第1天之后G1～G3組SCOD的含量始終高于G0,且整體呈現(xiàn)上升趨勢,到第30天分別增加了24.16%、18.94%和20.02%。不同濃度ZnO NPs對SCOD含量的影響從第6天開始具有顯著差異(P<0.05),其中G1組在第6、14、22天SCOD濃度顯著高于其它3組(P<0.05)。

表2 ZnO NPs對SCOD、SC和SP濃度的影響

SC濃度:第1天之后,G0中的SC平均濃度始終低于G1～G3;第30天之前的SC平均含量在G1、G2、G3 3組間無顯著差異(P>0.05),但是在第30天,相較于G1組,G2和G3中SC的濃度顯著增加(P<0.05)。

SP濃度:各組SP濃度隨時間變化趨勢均為先下降后上升。其中,只有G0在第1天SP濃度最低(30.89±2.14 mg/g TS),試驗組G1、G2和G3中SP的最低濃度均在第6天出現(xiàn),而在第30天,G2中SP的含量顯著高于其余3組(P<0.05)。

2.2 酸化產(chǎn)物的變化

牛糞厭氧消化過程中TVFAs、乙酸、丙酸、丁酸和累積產(chǎn)甲烷量見表3、表4。G0中TVFA的含量隨時間呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢;而G1、G2、G3中TVFAs總體呈現(xiàn)上升的趨勢,在第30天時濃度達(dá)到峰值。第1、6和14天,G0中TVFAs含量顯著高于G2和G3組(P<0.05);第22、第30天,G0的TVFAs含量顯著低于其他3個試驗組(P<0.05),其中G1組TVFAs含量顯著高于其他3組(P<0.05)。

表3 ZnO NPs對VFAs濃度的影響

表4 累積甲烷產(chǎn)量變化

在測定的3種VFAs中,乙酸為TVFAs的主要組分,其次是丙酸和丁酸。G0中乙酸含量呈先升高再降低的趨勢,在第14天達(dá)到最高,且顯著高于同一時間G2和G3組(P<0.05);試驗組G1、G2、和G3乙酸含量隨時間不斷增加,在第22和第30天顯著高于G0組,其中,G1組的乙酸含量最高(P<0.05),G2和G3組沒有顯著差異(P>0.05)。丙酸在G0組也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,第22天濃度最高;G1、G2、G3組丙酸含量總體呈上升趨勢,G1組顯著高于G2和G3組(P<0.05)。丁酸含量在各組的變化趨勢與丙酸類似,在第6、14、22和30天,G1組的丁酸含量顯著高于其他3組(P<0.05),而G2和G3組的丁酸含量無顯著差異(P>0.05)。

2.3 累積甲烷產(chǎn)量變化

取樣當(dāng)天的累計產(chǎn)甲烷量見表4,整體上隨著ZnO NPs濃度增加,累積產(chǎn)甲烷量顯著降低(P<0.05),但除第14天外G2和G3的累積產(chǎn)甲烷量無顯著差異(P>0.05)。

2.4 群落結(jié)構(gòu)差異

圖1展示了G0～G3中細(xì)菌群落(屬水平)的差異。對于G0,主要的屬為Ruminiclostridium(55.67%)、Hydrogenispora(10.11%)、Ruminiclostridium_1(9.17%)、Tepidimicrobium(3.41%)和Herbinix(1.88%)。G1中相對豐度在前5的屬由高到低依次是Herbinix(30.34%)、Ruminiclostridium(16.02%)、Caproiciproducenes(6.59%)、Tepidimicrobium(6.44%)和Bacillus(3.17%)。G2中主要的屬為Tepidimicrobium(20.43%)、DSSF69(15.07%)、norank_f__Bacillaceae(8.31%)、Bacillus(6.60%)、Ruminiclostridium(6.51%)。G3中前五的屬為Tepidimicrobium(18.72%)、Kurthia(9.96%)、Bacillus(9.22%)、Corynebacterium_1(7.16%)和Lachnoapiraceae_NK3A20_group(4.94%)。可見,G0中主要的菌群Ruminiclostridium和Riminiclostridium_1的相對豐度隨著ZnO NPs的濃度增加而降低,而菌屬Bacillus、Tepidmicrobium、Corynebacterium_1、Lachnoapiraceae_NK3A20_group與ZnO NPs濃度呈正相關(guān)。此外,還有部分菌屬如Herbinix和Caproiciproducenes在G1中的相對豐度最高。

圖1 ZnO NPs對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異的影響

2.5 細(xì)菌與水解酸化產(chǎn)物的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步分析在水解酸化階段潛在的功能菌屬對ZnO NPs的響應(yīng),本研究對細(xì)菌群落和水解酸化產(chǎn)物(SP、SC、乙酸、丙酸、丁酸)進(jìn)行了相關(guān)性分析(基于Spearman相關(guān)系數(shù)),如圖2所示。Ruminiclostridium、Herbinix、Caproiciproducens、Tepidanaerobacter、Ruminococcaceae_UCG-010、Clostridium_sensu_stricto_7、Unclassified_f__Ruminococcaceae和norank_o__M55-D21的相對豐度均與SP和SC的含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。而Tepidimicrobium、Bacillus、norank_f__Bacillaceae、Aquamicrobium、Bifidobacterium和Chelativorans的相對豐度與SP和SC的含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。對于細(xì)菌群落與酸化產(chǎn)物乙酸、丙酸、丁酸的相關(guān)關(guān)系,圖2表明,只有Hydrogenispora、Syntropgaceticus和Ureibacillus的相對豐度與VFAs有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05),其中前兩者與VFAs呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),Ureibacillus的相對豐度與VFAs的濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

圖2 細(xì)菌群落(屬水平)和水解酸化產(chǎn)物的相關(guān)性熱圖

3 討 論

3.1 納米氧化鋅對水解酸化進(jìn)程關(guān)鍵產(chǎn)物的動態(tài)影響

SP、SC和VFAs都是牛糞厭氧消化水解酸化階段的關(guān)鍵產(chǎn)物,其濃度是表征厭氧消化中水解酸化進(jìn)程的重要指標(biāo)。SCOD的濃度變化說明ZnO NPs促進(jìn)了有機(jī)物的溶解和水解,且相較于SCOD的消耗,更有益于SCOD的積累。值得注意的是,第30天SP和SC濃度在高濃度ZnO NPs(30 mg/g TS和100 mg/g TS)的脅迫下,均有顯著上升,這可能是因為ZnO NPs促進(jìn)有機(jī)物水解的同時,降低了如蛋白酶和纖維素酶的活性[3]。類似的結(jié)果在含有ZnO NPs(30～150 mg/g VSS)的剩余活性污泥厭氧消化體系中也被證實(shí),在該濃度范圍下,蛋白酶、纖維素酶、乙酰化激酶的活性受到抑制[23]。此外,其釋放的鋅離子會破壞細(xì)胞完整性,抑制SP和SC的降解,導(dǎo)致系統(tǒng)中SP和SC出現(xiàn)積累[4,24]。不同的是,Zhang等[5]研究表明5～500 mg/L的ZnO NPs對污泥厭氧消化過程中SC的降解沒有顯著影響,這可能與消化底物、ZnO NPs濃度范圍及ZnO NPs的暴露時長有關(guān)。

對于TVFAs,G1中TVFAs有顯著的積累,而SP和SC的濃度與對照組G0差異不明顯,并且G1中的累積產(chǎn)甲烷量較G0的低,這說明5 mg/g TS的ZnO NPs主要抑制了VFAs的消耗導(dǎo)致牛糞厭氧消化體系中VFAs的積累。這與Zhu等[25]的研究類似,其結(jié)果表明1.0 mmol/L的ZnO NPs會抑制VFAs向甲烷的轉(zhuǎn)化。而在G2和G3中,30 mg/g TS和100 mg/g TS ZnO NPs嚴(yán)重抑制了SP和SC的降解,減少了VFAs的產(chǎn)出,致使整個水解酸化效果極差。

對于單一的VFAs組分,在前14 d G0中乙酸的積累量均高于G1～G3中的乙酸含量,說明該階段ZnO NPs可能不利于乙酸的生成。丙酸是蛋白質(zhì)水解酸化的重要產(chǎn)物之一,其在前22 d G0～G3中的濃度,進(jìn)一步說明了ZnO NPs對SP降解的抑制作用。此外,ZnO NPs的濃度越高,乙酸、丙酸的濃度越低,說明ZnO NPs對生產(chǎn)VFAs的抑制效果與其濃度呈正相關(guān)關(guān)系。而第30天時,G1～G3中乙酸和丙酸的濃度顯著高于G0中的濃度,說明ZnO NPs的存在同時還會抑制乙酸和丙酸的消耗。對于丁酸,它是生成乙酸的關(guān)鍵中間產(chǎn)物,第30天時G1中丁酸的明顯積累,一方面可能是因為一定濃度ZnO NPs(5 mg/g TS)抑制了丁酸向乙酸的轉(zhuǎn)化,減少了丁酸的消耗量,另一方面可能是因為5 mg/g TS的ZnO NPs促進(jìn)了丁酸的產(chǎn)生[4,26]。

綜上所述,ZnO NPs雖然有利于有機(jī)物的溶解和水解,但是抑制了SP、SC的降解過程,減少TVFAs的產(chǎn)生,并且對SP和SC降解的抑制效果與ZnO NPs的濃度呈正相關(guān)。此外,ZnO NPs還抑制了VFAs的消耗,且對消耗的抑制作用可能大于對VFAs產(chǎn)出的抑制,形成了TVFAs的表觀積累。

3.2 納米氧化鋅對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

高通量測序表征的微生物群落結(jié)果表明,ZnO NPs的存在改變了細(xì)菌在屬水平的結(jié)構(gòu)組成。本研究發(fā)現(xiàn),Ruminiclostridium和Hydrogenispora的相對豐度均在G0中最高,并且與ZnO NPs濃度呈反比。先前研究表明Ruminiclostridium的菌株能高效降解木質(zhì)纖維素,對水解過程有重要的促進(jìn)作用[27],屬于Hydrogenispora的菌株在有厭氧條件下能夠利用不同的糖類(如葡萄糖、麥芽糖、阿拉伯糖、果糖等)進(jìn)行厭氧發(fā)酵生成氫氣、乙酸等物質(zhì)[28]。所以Ruminiclostridium和Hydrogenispora的相對豐度隨ZnO NPs濃度增加而降低很可能是試驗組G1～G3中SP和SC降解受到抑制的重要原因。

Tepidimicrobium(相對豐度3.41%)是G0中的重要菌屬之一,該菌屬能夠以多種蛋白質(zhì)(如胰蛋白、酪蛋白氨基酸、酵母提取物)和多種碳水化合物(如木聚糖、木糖、葡萄糖)為底物進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生乙酸、乙醇、氫氣等物質(zhì)[29],其相對豐度在G2和G3中分別為20.43%和18.72%。結(jié)合水解、酸化產(chǎn)物變化特性,我們發(fā)現(xiàn)該菌的豐度與水解酸化效果相矛盾,造成這種現(xiàn)象的原因可能是ZnO NPs會抑制水解酸化相關(guān)功能基因的表達(dá),導(dǎo)致基因組測序結(jié)果與試驗結(jié)果出現(xiàn)矛盾[30]。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)ZnO NPs促進(jìn)了菌屬Bacillus的富集,這可能與Bacillus對鋅離子的耐受能力有關(guān)[31]。具有良好水解產(chǎn)酸功能的Tepidimicrobium和Bacillus在高濃度ZnO NPs組(G2和G3)中的優(yōu)勢豐度則表明,二者可能具有耐受、抵抗高濃度ZnO NPs脅迫的潛力,未來Tepidimicrobium和Bacillus可作為功能菌屬應(yīng)用于促進(jìn)ZnO NPs污染的畜禽糞便的厭氧消化[29,32]。

另外,Herbinix和Caproiciproducene在G1中的相對豐度最高(分別為30.34%和6.59%),說明適當(dāng)濃度的ZnO NPs(5 mg/g TS)才有利于它的富集,研究表明Herbinix和Caproiciproducene能夠以纖維素和多糖為底物,生成乙酸鹽、乙醇、丁酸和氫氣等物質(zhì),其對G1中牛糞厭氧消化的水解酸化過程可能起到重要的作用[33-34]。ZnO NPs對水解酸化功能菌的抑制也在剩余污泥厭氧消化體系中被觀測到,但與畜禽糞便不同,受抑制的菌群主要為Longilinea,Levilinea,ClostridiumXI[23]?？梢?不同厭氧消化底物在群落組成上有著明顯的差異,今后還需不斷完善不同厭氧消化體系對外源污染物的響應(yīng)。

3.3 細(xì)菌群落與環(huán)境因素的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步探討ZnO NPs對水解酸化階段潛在的功能菌屬的影響,本研究對細(xì)菌群落和水解酸化產(chǎn)物SP、SC、乙酸、丙酸、丁酸進(jìn)行了相關(guān)性分析(基于Spearman相關(guān)系數(shù))。Ruminiclostridium、Herbinix、Caproiciproducens、Tepidanaerobacter、Ruminococcaceae_UCG-010、Clostridium_sensu_stricto_7、Unclassified_f__Ruminococcaceae和norank_o__M55-D21的相對豐度均與SP和SC的含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明這些菌屬可能與SP和SC的降解有關(guān),且這幾類菌屬相對豐度在4組中由高到低依次是G0、G1、G2、G3。這使得試驗組中SP和SC降解抑制程度與ZnO NPs濃度呈正相關(guān)。并且,在上述8類菌屬中,Herbinix、Caproiciproducens、Tepidanaerobacter、Clostridium_sensu_stricto_7和norank_o__M55-D21的相對豐度在G1中最高,而Ruminiclostridium、Ruminococcaceae_UCG-010和Unclassified_f__Ruminococcaceae在G0中的相對豐度最高,說明這些功能菌屬對ZnO NPs濃度的響應(yīng)存在差異,Herbinix、Caproiciproducens、Tepidanaerobacter、Clostridium_sensu_stricto_7和norank_o__M55-D21的菌株更適于在5 mg/g TS的ZnO NPs環(huán)境下生長富集。

對于VFAs與細(xì)菌群落的相關(guān)性,本研究中只有3種菌屬(Hydrogenispora、Syntrophaceticus和Ureibacillus)的相對豐度與VFAs呈顯著相關(guān)關(guān)系。其中,Ureibacillus的相對豐度與VFAs呈正相關(guān)關(guān)系,研究表明Ureibacillus對木質(zhì)纖維素具有較好的降解效果,很可能對水解酸化進(jìn)程有關(guān)鍵貢獻(xiàn)[35]。Hydrogenispora、Syntrophaceticus的相對豐度與VFAs的濃度呈負(fù)相關(guān),可能有利于VFAs的消耗,如Syntrophaceticus能夠與產(chǎn)甲烷菌緊密配合,將乙酸鹽氧化為CO2和H2[36]。本研究中,Ureibacillus的相對豐度在G1中最高(1.51%),在G0、G2和G3中的相對豐度均小于1%,而Hydrogenispora、Syntrophaceticus幾乎只存在于G0中(相對豐度分別為10.11%和2.20%),在G1～G3中的相對豐度均小于1%。這3種與VFAs有顯著關(guān)系的潛在功能菌屬在各組別中的差異可能是G1中出現(xiàn)VFAs累積的原因之一,而G2和G3中因功能菌的缺乏使VFAs的產(chǎn)生和消耗均受到嚴(yán)重抑制。

綜上所述,不同水解功能菌屬對ZnO NPs的響應(yīng)存在差異,并且ZnO NPs總體上不利于功能菌屬的富集和表達(dá)。

4 結(jié) 論

ZnO NPs雖然促進(jìn)了牛糞厭氧消化過程中有機(jī)物的溶出和水解,但是對SP和SC的降解存在抑制作用,且抑制效果與ZnO NPs濃度呈正相關(guān)關(guān)系。對于酸化效果,ZnO NPs有利于VFAs的表觀積累,但是ZnO NPs對VFAs的產(chǎn)生和消耗均存在抑制作用,并且對VFAs消耗的抑制效果更明顯。微生物群落分析表明不同水解功能菌屬對ZnO NPs的響應(yīng)存在差異,5 mg/g TS的ZnO NPs更有利于水解酸化功能菌屬Herbinix、Caproiciproducens、Tepidanaerobacter、Clostridium_sensu_stricto_7和Ureibacillus等的生長富集,而在高濃度ZnO NPs(30和100 mg/g TS)的暴露下,水解酸化功能菌屬的表現(xiàn)和富集均受到嚴(yán)重抑制。