低溫蛋白質氨化復合菌系對沼氣酸化液pH及產甲烷活性的影響

王玥婷，徐鳳花，李 金，趙忠寶，郭建全

（東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030）

在沼氣發酵時，普遍存在易酸化、不產氣或產氣率低等問題[6]，需將酸化液調至6.8～7.5范圍內，產甲烷菌才能很好的生長與產氣。目前主要通過添加石灰、KHCO3類物質調節酸化液的pH，如果一口8 m3沼氣池需要1.5～2.5 kg，不僅增加了成本，而且對產甲烷菌產生一定的抑制作用。黑龍江省年低溫期長達5～6個月，低溫影響氨化細菌的增殖，使氨化效率明顯下降。因此，在酸化液中加入低溫蛋白質氨化復合菌系，加快含氮有機物轉化為氨態氮的速度，在調節pH的同時還為產甲烷菌提供了生長所需要的氨態氮，促進了低溫產甲烷菌復合系增殖，使沼氣啟動時間提前，并為甲烷的形成提供了CO2前提物質[1-5]。本試驗主要對低溫蛋白質氨化復合菌系對沼氣酸化液pH及產甲烷活性的影響進行研究。然而目前，國內外對低溫蛋白質氨化復合菌系的報道甚少，因此，低溫蛋白質氨化復合菌系的研究為沼氣發酵提供了重要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料來源

自然發酵酸化液:新鮮牛糞∶水=1∶1，30℃培養箱內自然發酵而成。

KHCO3調試的酸化液:由東北農業大學工程學院提供。

1.1.2 菌群來源

本實驗室選育效果良好的低溫蛋白質氨化復合菌系和低溫產甲烷復合菌系。

1.2 試驗設計

1.2.1 酸氮含量化液氨態及pH變化的研究

本試驗設2個處理組和1個對照組，每組3次重復。

處理1:自然發酵的酸化液加入KHCO3。

處理2:自然發酵的酸化液加入本實驗室選育效果良好的低溫蛋白質氨化復合菌系。

對照:自然發酵酸化液。

1.2.2 產甲烷活性的研究

本試驗設2個處理組和1個對照組,每組3次重復，將實驗室選育的低溫產甲烷復合菌系接入3組酸化液中，接菌時酸化液的pH均為6.89。

處理1′:處理1加入低溫產甲烷復合菌系。

處理2′:處理2加入低溫產甲烷復合菌系。

對照′:對照加入低溫產甲烷復合菌系。

1.3 測定方法

1.3.1 酸化液氨態氮含量及pH的測定

將3組酸化液置于（14±0.5）℃下培養，每2 d用蒸餾滴定法（GB/T3595-2000）測定氨態氮的含量，用玻璃電極法（PHS-25）測定酸化液pH的變化[6]。

1.3.2 產甲烷活性的測定

將3組酸化液置于（14±0.5）℃下培養30 d，每5 d測定產氣量和甲烷含量。用排水法測定產氣量，再根據每5 d產氣量累積計算30 d的總產氣量（mL）；采用島津14C氣相色譜測定甲烷含量[7-8]。

2 結果與分析

2.1 低溫蛋白質氨化復合菌系對酸化液氨態氮含量的影響

由圖1可以看出，3組酸化液氨態氮均呈現先升高后降低的趨勢，發酵前期由于低溫蛋白質氨化復合菌系快速分解酸化液中的含氮有機物，使處理2的氨態氮含量迅速增加，且一直高于處理1和CK。5 d時達到高峰，高峰期較處理1和CK提前2 d，氨態氮含量為400.20 mg·L-1，較處理1和CK提高了34.08%和28.12%。發酵后期，由于含氮有機物減少，氨態氮含量下降，但處理2下降速度緩慢。處理1在整個發酵過程中氨態氮的含量均最低，且發酵后期氨態氮迅速下降，說明KHCO3對微生物的活性有一定的抑制作用，含氮有機物分解速度緩慢，為產甲烷菌提供的可利用氨態氮量減少。

圖1 低溫蛋白質氨化復合菌系對酸化液中氨態氮含量的影響Fig.1 Effects of ammonia nitrogen of biogas acidizing fluid on low-temperature protein ammoniation composite strains

2.2 低溫蛋白質氨化復合菌系對酸化液pH的影響

一般非產甲烷微生物對酸堿度的適應范圍較廣，而產甲烷菌只有在pH 6.8～7.5的環境中才能正常生長代謝[9]。從圖2可以看出，由于低溫蛋白質氨化復合菌系加快含氮有機物轉化成氨態氮速度，使處理2的pH迅速升高，5 d時達到沼氣發酵適宜的pH范圍，7 d時pH穩定在7.00左右。而CK的pH上升緩慢，8 d時才達到沼氣發酵適宜的pH范圍。處理1中微生物分解含氮有機物產生的氨態氮量少因而pH變化不明顯，一直穩定在初始的6.88左右。說明低溫蛋白質氨化復合菌系可加快調節酸化液pH的速度，縮短達到適宜時間。

圖2 低溫蛋白質氨化復合菌系對酸化液pH的影響Fig.2 Effects of pH of biogas acidizing fluid on low-temperature protein ammoniation composite strains

2.3 低溫蛋白質氨化復合菌系對產甲烷活性的影響

2.3.1 產氣量的變化動態

在厭氧消化過程中，非產甲烷菌和產甲烷菌之間相互依賴，互為對方創造與維持生命活動所需要的良好環境條件，但它們之間又互相制約，在發酵過程中處于平衡狀態[10]。

由圖3可見，由于低溫蛋白質氨化復合菌系在調節pH的同時，還為產甲烷菌提供生長所需要的氨態氮，使處理2′的產氣量在整個發酵過程有明顯增高。15 d時處理2′的產氣量為80mL，達到產氣高峰，較處理1′和CK′提高了45.45%和77.78%。處理1′20 d時達到產氣高峰，較處理2′晚5 d，產氣量為65mL，而處理2′的產氣量雖較高峰時略有下降，但仍較處理1′和CK′提高了10.29%和50.00%。CK′25 d才達到產氣高峰，較處理2′晚10 d，且產氣量僅50mL。在整個發酵周期中處理2′的總產氣量為 292mL，處理 1′為 221mL，而 CK′僅為 204mL，處理2′的總產氣量較處理1′和CK′分別提高了32.13%和43.14%。由此說明低溫蛋白質氨化復合菌系可提高產甲烷菌的活性，使發酵過程中的產氣量增加。

圖3 3組酸化液產氣量的變化動態Fig.3 Dynamic change of the biogas production in three groups of different processing acidification liquid

2.3.2 甲烷含量的變化動態

從表1看出，由于處理2′中的低溫蛋白質氨化復合菌系分解酸化液中的含氮有機物，為產甲烷復合菌系提供了生長所需的氨態氮，提高了產甲烷菌的活性，促進甲烷生成，從而使處理2′甲烷含量在發酵各階段均最高，20 d高峰時較處理1′和CK′提高10.27%和24.08%。綜合圖4～6看出，20 d時處理2′的CO2含量也較處理1′和CK′提高7.13%和14.29%，說明低溫蛋白質氨化復合菌系在分解含氮有機物的同時，還釋放CO2為甲烷形成提供前體物質，使甲烷含量提高。

表1 3組酸化液發酵過程中甲烷含量的變化Table1 Change of methane content in three groups of different processing acidification liquid through fermentation process

圖4 CK′的甲烷及CO2含量（20 d）Fig.4 The methane and CO2content of CK′(20 d)

圖5 處理1′的甲烷及CO2含量（20 d）Fig.5 The methane and CO2content of the first processing acidification liquid(20 d)

圖6 處理2′的甲烷及CO2含量（20 d）Fig.6 The methane and CO2content of the second processing acidification liquid(20 d)

3 討論

低溫蛋白質氨化復合菌系在沼氣發酵過程中即可調節酸化液的pH,又可為產甲烷菌提供生長所需要的氨態氮，使沼氣啟動時間提前，并為甲烷的形成提供了CO2前提物質，具有著很高的實際應用價值。

低溫蛋白質氨化復合菌系主要針對北方的特殊低溫環境進行研究，低溫會影響到氨化細菌的增殖，使氨化效率明顯下降，從而導致沼氣池產氣率低或者不產氣。因此，低溫蛋白質氨化復合菌系的研究可有效地彌補北方氣候的不足，具有可觀的經濟價值。

沼氣發酵中不同微生物組成的菌群對提高產氣率的影響差異較大，本試驗只對酸化液中接入的低溫蛋白質氨化復合菌系和低溫產甲烷菌復合系進行了研究，而酸化液中還存在著纖維素分解菌，產酸菌等多種有益微生物，需進一步對低溫氨化細菌、低溫產甲烷菌復合系與其他微生物的協同作用進行深入研究。

4 結論

本試驗主要對低溫蛋白質氨化復合菌系對3組不同處理酸化液的pH及產甲烷活性的影響進行研究?？梢缘贸?，接低溫蛋白質氨化復合菌系的酸化液中氨態氮含量高峰時較KHCO3調試的酸化液和自然發酵酸化液提前2 d，且高峰時氨態氮含量分別提高了34.08%和28.12%，pH也在5 d時達到沼氣發酵適宜的pH范圍，7 d時pH變化穩定。接低溫產甲烷菌復合系后，可以明顯看出，接低溫蛋白質氨化復合菌系的酸化液的產氣量為最高，15 d達到產氣高峰時產氣量較KHCO3調試的酸化液和自然發酵酸化液提高了45.45%和77.78%，總產氣量提高了32.13%和43.14%。；同時CO2和甲烷含量也分別提高7.13%、14.29%和10.27%、24.08%。由此可見，低溫氨化細菌在沼氣發酵過程中具有重要的理論意義和實際應用價值。

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