微量元素對(duì)沼氣厭氧發(fā)酵的影響

劉傳國(guó)

摘要： 厭氧發(fā)酵技術(shù)可以有效地處理有機(jī)廢物，同時(shí)產(chǎn)生清潔能源—甲烷。厭氧發(fā)酵的效率和穩(wěn)定性受多種因素的影響，其中微量元素的缺乏可能導(dǎo)致有機(jī)物的不完全降解和系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等。微量元素不僅涉及厭氧微生物的合成，還涉及厭氧發(fā)酵甲烷生產(chǎn)過(guò)程中各種酶系統(tǒng)的合成和活化。缺乏對(duì)厭氧發(fā)酵中微量元素需求的理解阻礙了厭氧生物技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。同時(shí)，微量元素對(duì)維持沼氣工程的高效穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用。

關(guān)鍵詞：微量元素;沼氣;厭氧發(fā)酵;影響

1 微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程的調(diào)控作用

1.1 微量元素在厭氧發(fā)酵中的生物效應(yīng)

微量元素在厭氧發(fā)酵過(guò)程中的促進(jìn)或抑制效應(yīng)一直是科研人員所關(guān)注的問(wèn)題。厭氧發(fā)酵中的微生物生長(zhǎng)繁殖除了C、N、P和S等營(yíng)養(yǎng)元素外，微量元素也是生命所必不可少的營(yíng)養(yǎng)。微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵的重要性主要體現(xiàn)在其常常作為輔酶、輔基、輔因子的成分出現(xiàn)在厭氧發(fā)酵微生物的酶系統(tǒng)中，并且對(duì)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)甲烷階段起著重要調(diào)控作用。

1.2 產(chǎn)甲烷菌的微量元素需求

產(chǎn)甲烷菌的物質(zhì)代謝和能量代謝都需要微量元素的參與，如微量元素 Fe參與產(chǎn)甲烷菌體內(nèi)細(xì)胞色素、細(xì)胞氧化酶的合成，還是胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)的電子載體。產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)所需要的微量元素的量非常少，但微量元素的缺乏卻能夠?qū)е律锘盍ο陆?，進(jìn)而影響整個(gè)厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行效果和穩(wěn)定性。

1.3 微量元素對(duì)甲烷生物合成的影響

目前，發(fā)現(xiàn)的甲烷生物合成過(guò)程有3種途徑：第1種途徑為以乙酸為原料的甲烷生物合成，第2種為以H2、CO2為原料的甲烷生物合成，第3種是以甲基化合物為原料的甲烷生物合成過(guò)程，如：甲醇、甲基胺、甲基硫等;3種途徑最終都形成甲基輔酶，甲基輔酶在甲基輔酶還原酶催化下最終形成甲烷。其中3種途徑中，以乙酸為底物的甲烷合成占自然界甲烷合成的70%左右，以H2、CO2為底物合成的甲烷約占總量的30%，而以甲基化合物合成的甲烷量很少。

在甲烷合成的途徑中，涉及多種酶、輔酶的催化作用，這些酶、輔酶大都含有Fe、Co、Ni、Zn、Mo、W 等金屬元素。甲烷生物合成中的輔酶M甲基轉(zhuǎn)移酶是一種含Co的金屬酶;催化以乙酸為底物合成甲烷的關(guān)鍵酶為一氧化碳脫氫酶，一氧化碳脫氫酶分為2大類(lèi)：存在于需氧微生物中的 Mo-Fe-黃素酶類(lèi)和存在于厭氧微生物中的Ni-Fe酶類(lèi)，因此，CODH在厭氧和好氧2種條件下都能起到一定的催化作用，在這2類(lèi)金屬酶中，位于活性位點(diǎn)起關(guān)鍵作用的金屬分別是 Mo和Ni。由此可見(jiàn)，CODH是一個(gè)含有Fe、Co、Ni、Mo的金屬酶，CODH除催化乙酸合成甲烷外，也能夠催化同型產(chǎn)乙酸菌利用H2和CO2合成乙酸的反應(yīng)。催化CO2合成甲烷的甲酰基甲基呋喃脫氫酶、氫化酶分別是含Mo和Fe/Ni的金屬酶，除甲烷的生物合成中的酶系統(tǒng)需要微量元素外，產(chǎn)甲烷菌中還含有許多由Fe2+、Co2+等金屬離子組成的供無(wú)機(jī)物進(jìn)入細(xì)胞的離子通道。

2 微量元素對(duì)厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程的協(xié)同促進(jìn)作用

2.1 單一元素在厭氧消化中的促進(jìn)作用

2.1.1 Fe元素在厭氧消化中的應(yīng)用研究

Fe元素是產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)所必須的元素之一，其對(duì)厭氧發(fā)酵的影響得到了廣泛的關(guān)注。在利用上流式厭氧污泥床反應(yīng)器處理有機(jī)廢水的研究中添加適量的Fe元素，顯著提高了反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷承載力，反應(yīng)器中顆粒污泥的形成速率、污泥的沉降速率和顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性。除此之外，F(xiàn)e元素對(duì)高固體有機(jī)廢棄物厭氧消化的作用也不容忽視，添加Fe元素在一定程度上加快了厭氧消化速率，降低了物料厭氧消化的水力停留時(shí)間。Fe元素的添加能顯著提高消化系統(tǒng)的消化性能和甲烷產(chǎn)率，主要是因?yàn)镕e的補(bǔ)充促進(jìn)了揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生和提高了甲烷菌對(duì)乙酸的利用率，同時(shí)反應(yīng)基質(zhì)中有硫酸鹽存在時(shí)，添加Fe能夠消除由硫酸鹽還原引起的硫化物對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用。

2.1.2 Co元素在厭氧消化中的應(yīng)用研究

微量元素Co的存在能夠促進(jìn)酶的合成或激活在生化反應(yīng)中起催化作用的酶。相反，Co元素的缺乏不僅對(duì)微生物的生長(zhǎng)不利，而且會(huì)影響細(xì)菌的活力，并影響整個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行效果和穩(wěn)定性。Co在厭氧消化中的作用近幾年得到了廣泛研究，如在高溫（55℃）上流式厭氧污泥床反應(yīng)器處理甲醇廢水的厭氧消化系統(tǒng)中去除元素Co引起了產(chǎn)乙酸菌活性的降低，然而補(bǔ)加29.5 μg/L Co后又恢復(fù)了產(chǎn)乙酸菌的活性;通過(guò)添加Co元素能使中溫（30±2）℃ UASB甲醇厭氧消化系統(tǒng)在 8 000 mg COD/（L·d）的高有機(jī)負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，且化學(xué)需氧量去除率可達(dá)87%。

2.1.3 其他金屬元素在厭氧消化中的應(yīng)用研究

除 Fe、Co等微量元素外，一些文獻(xiàn)也報(bào)道了其他金屬離子在厭氧消化中的應(yīng)用效果。如MgSO4對(duì)萵筍皮和馬鈴薯皮厭氧消化的影響，研究表明添加300和100 mg/L MgSO4使萵筍皮和馬鈴薯皮沼氣產(chǎn)量分別提高了71.4%和41.6%。在牛糞、水牛糞、駱駝糞和馬糞的發(fā)酵系統(tǒng)中，添加150 mg/L Mg顯著提高了沼氣產(chǎn)氣量，這與上述研究結(jié)果相符合。這可能是因?yàn)镸g2+改善了細(xì)菌的細(xì)胞通透性，促進(jìn)了部分特殊水解酶的分泌，進(jìn)而促進(jìn)了厭氧消化效率。

Ca是某些產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的關(guān)鍵成分，對(duì)微生物聚集體（顆粒污泥和生物膜）的形成也很重要，因此在生物膜反應(yīng)器中，當(dāng) Ca2+質(zhì)量濃度低于120 mg/L時(shí)，Ca2+的加入能加速生物膜形成;當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度超過(guò)120 mg/L時(shí)，礦物質(zhì)累積和生物膜含水率的下降會(huì)抑制細(xì)胞的代謝。

2.2 多元素在厭氧消化中的協(xié)同促進(jìn)作用

微量元素在促進(jìn)微生物的新陳代謝中的作用往往并非孤立的，研究指出對(duì)于Fe、Co、Ni、Mo、Se等元素而言，缺乏某一種元素，甲烷發(fā)酵仍會(huì)進(jìn)行，但速率會(huì)降低;根據(jù)產(chǎn)甲烷菌對(duì)不同微量元素的營(yíng)養(yǎng)需求順序，當(dāng)Co的含量不足時(shí)，Ni就不能表現(xiàn)激活作用;因此表明Fe、Co、Ni、Mo、Se等元素間的協(xié)同作用為維持高效的甲烷發(fā)酵有重要作用。不同微量元素對(duì)某一發(fā)酵原料的作用效果可能不同。在不同底物厭氧消化系統(tǒng)中，各微量元素并非獨(dú)自發(fā)揮特有的金屬特性，不同微量元素之間存在協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

微量元素對(duì)甲烷發(fā)酵的重要作用不容忽視，在溫度、pH、水力停留時(shí)間等因素和運(yùn)行正常的條件下，若產(chǎn)甲烷過(guò)程不穩(wěn)定或產(chǎn)氣量下降，微量元素的缺乏是首要檢查的因素。微量金屬元素不能解決厭氧處理運(yùn)行中所有的難題，但是提高微量金屬元素的生物有效度可以解決大部分運(yùn)行問(wèn)題，保證厭氧消化的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：青島天人環(huán)境股份有限公司）