甲烷發(fā)酵與堿液對(duì)堿溶酸析法提取泥炭黃腐酸光譜學(xué)變化特征的影響

王震平，路亞楠，鄧雅卉，馬力通，2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.生物煤化工綜合利用內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

我國(guó)泥炭資源極其豐富，但其空間分布不均衡[1]。目前我國(guó)泥炭主要作為一種能源礦產(chǎn)，簡(jiǎn)單處理后供給園藝、肥料等領(lǐng)域[2]。諶佳偉等[3]研究發(fā)現(xiàn)，在微生物作用下，神農(nóng)架大九湖泥炭濕地持續(xù)產(chǎn)出甲烷，CH4的年總排放量達(dá)5.57 g/m2，日平均排放速率10.96 nmol/(m2·s)。郝思雯等[4]研究發(fā)現(xiàn)，添加稀土化合物有助于提高微生物的活性，促進(jìn)甲烷發(fā)酵過(guò)程，增大甲烷產(chǎn)量。

腐植酸(HA)是一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的芳香羧酸化合物[5]。黃腐酸(FA) 是腐植酸中既溶于酸又溶于堿的組分，其分子量較小，溶解度較好，生物活性較高，含氧官能團(tuán)較多[6]。張遠(yuǎn)琴等[7]采用焦磷酸鈉溶液作溶劑，探索了濃度、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)腐植酸提取率的影響，最優(yōu)工藝條件為：焦磷酸鈉溶液濃度為0.03 mol/L，96 ℃下反應(yīng)1.6 h，提取率達(dá)95.68%。

本文聯(lián)合甲烷發(fā)酵與提取黃腐酸，探索不同堿液與甲烷發(fā)酵對(duì)黃腐酸的產(chǎn)率、純度以及結(jié)構(gòu)的影響，嘗試揭示不同來(lái)源黃腐酸間的差異，希望進(jìn)一步了解甲烷發(fā)酵與黃腐酸提取的結(jié)合機(jī)制，使泥炭資源得到充分利用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

草本泥炭，來(lái)自吉林吉祥泥炭有限公司；活性污泥，由包頭南郊的污水處理廠提供；黃腐酸，色譜純；氫氧化鈉、碳酸鈉、NaHCO3、氨水、硫酸、亞硫酸鈉、硫酸亞鐵銨、重鉻酸鉀等均為分析純。

AMPTS Ⅱ自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)；RX1傅里葉變換紅外光譜儀；CAYR 5000紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)；LS55熒光發(fā)光光譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 泥炭甲烷發(fā)酵 將40 g 100目草本泥炭與3%的氫氧化鈉溶液(固液比為1∶12)混合，70 ℃水浴加熱110 min。調(diào)節(jié)pH于6.9～7.1范圍內(nèi)，加入活性污泥，進(jìn)行厭氧發(fā)酵，直至日產(chǎn)氣量降至 0 mL 停止發(fā)酵，同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)。泥炭發(fā)酵后過(guò)濾，取發(fā)酵殘余物，提取黃腐酸。

1.2.2 黃腐酸的提取 取等量的烘干泥炭發(fā)酵殘余物，加入5%的亞硫酸鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氨水浸泡24 h，固液比(g/mL)為1∶4。加入20倍體積蒸餾水，80 ℃加熱攪拌2 h。離心取上清液，采用5% 硫酸溶液調(diào)節(jié)pH至2～3，再次離心，取上清液，測(cè)定黃腐酸含量，計(jì)算黃腐酸的產(chǎn)率。

(1)

式中V——提取的黃腐酸溶液總體積，mL；

B——提取的黃腐酸溶液濃度，g/mL；

m——提取黃腐酸所用泥炭的質(zhì)量，g。

1.3 分析方法

1.3.1 黃腐酸含量測(cè)定 移取1.00 mL上清液于100 mL錐形瓶中，依次加入5.00 mL濃度0.4 mol/L重鉻酸鉀、15 mL濃硫酸，置于沸水浴中，加熱氧化30 min，冷卻至室溫后，加入3～5 d鄰菲羅啉指示液，采用硫酸亞鐵銨滴定，溶液由橙色經(jīng)綠色變?yōu)榇u紅色[8]，記錄消耗硫酸亞鐵銨體積，同時(shí)作空白實(shí)驗(yàn)。

(2)

式中B——黃腐酸含量，g/mL；

0.003——碳的毫克當(dāng)量，g；

V0——滴定空白時(shí)消耗硫酸亞鐵銨的體積，mL；

V1——滴定樣品時(shí)消耗硫酸亞鐵銨的體積，mL；

N——硫酸亞鐵銨的摩爾濃度，mol/L；

C——腐植酸含碳比的換算系數(shù)(腐植酸為0.58，黃腐酸為0.54)；

V——樣品體積，mL。

1.3.2 紫外可見(jiàn)光譜分析[8]將1 g黃腐酸樣品溶解于100 mL碳酸氫鈉溶液中，用0.1 mol/L的鹽酸或1%的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為8.0。使用紫外全波長(zhǎng)掃描儀掃描范圍為200～800 nm。

1.3.3 傅里葉變換紅外光譜分析[9]稱取1 mg烘干的黃腐酸樣品，用傅里葉紅外光譜儀測(cè)定紅外光譜。

1.3.4 熒光光譜分析 將1 g黃腐酸樣品溶解于100 mL碳酸氫鈉溶液中，用0.1 mol/L的鹽酸或1%的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為8.0。用熒光光譜儀掃描，激發(fā)波長(zhǎng)為274 nm，狹縫寬度8 nm，掃描速度 1 000 nm/min，掃描范圍275～650 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 氫氧化鈉預(yù)處理發(fā)酵后對(duì)甲烷產(chǎn)氣的影響

NaOH預(yù)處理對(duì)CH4產(chǎn)氣的影響見(jiàn)圖1。

圖1 總產(chǎn)氣量

由圖1可知，添加NaOH后，泥炭生物甲烷化總產(chǎn)氣量明顯提升。空白組總產(chǎn)氣量為2 349.8 mL。在NaOH添加體系中，堿處理發(fā)酵組總產(chǎn)氣量為 2 638.9 mL，增加了12.3%。這是因?yàn)橐欢舛鹊腘a+能改變細(xì)胞膜的通透性[10]，使微生物更易吸收和利用泥炭的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，致產(chǎn)氣量增加。表明泥炭甲烷化前用氫氧化鈉預(yù)處理泥炭，有利于泥炭生物甲烷化。

2.2 堿液對(duì)堿溶酸析法提取泥炭黃腐酸的純度及產(chǎn)率的影響

氫氧化鈉預(yù)處理對(duì)微生物甲烷發(fā)酵過(guò)程及黃腐酸提取的影響見(jiàn)表1。

表1 黃腐酸的產(chǎn)率及濃度

由表1還可知，經(jīng)堿預(yù)處理后，黃腐酸產(chǎn)率明顯下降，由Na2SO3、Na2CO3、NaHCO3和NH3·H2O溶解泥炭得到的黃腐酸產(chǎn)率分別下降了 8.32%，17.2%，5.6%，27.1%。表明用氫氧化鈉預(yù)處理泥炭發(fā)酵可消耗利用更多的黃腐酸，促進(jìn)發(fā)酵過(guò)程。不同堿液對(duì)堿溶酸析法提取泥炭的黃腐酸產(chǎn)率有明顯差異，使用亞硫酸鈉獲得的黃腐酸產(chǎn)率最高，黃腐酸產(chǎn)率下降率較低，為提取高產(chǎn)率黃腐酸的最優(yōu)堿液。

由表1可知，提取所采用的堿液對(duì)黃腐酸的濃度有一定程度的影響，采用氨水提取黃腐酸的濃度較高，直接甲烷發(fā)酵采用氨水處理的黃腐酸濃度達(dá)1.02 g/L；采用碳酸氫鈉獲得的黃腐酸的濃度較低，為0.68 g/L；提取黃腐酸濃度較高的亞硫酸鈉的黃腐酸濃度為0.83 g/L，僅次于氨水提取的，且其價(jià)格較為低廉，故為提取黃腐酸的最優(yōu)堿液。

2.3 堿液對(duì)堿溶酸析法提取泥炭黃腐酸的紅外光譜的影響

黃腐酸的紅外光譜見(jiàn)圖2。

圖2 黃腐酸的紅外譜圖

經(jīng)氫氧化鈉預(yù)處理發(fā)酵后，在3 700～3 200 cm-1范圍內(nèi)，3 700～3 610 cm-1空白組高于堿處理發(fā)酵組；3 500～3 250 cm-1堿處理發(fā)酵組高于空白組，表明堿處理發(fā)酵后，黃腐酸的羥基減少而氨基增多。在2 924，1 680，1 560 cm-1附近，堿處理發(fā)酵組吸收峰強(qiáng)度高于空白組，表明堿處理發(fā)酵后，黃腐酸的亞甲基、羰基、苯環(huán)均增多。堿處理泥炭可以促進(jìn)甲烷發(fā)酵過(guò)程，致使微生物更活躍，消耗更多的羥基等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，而苯環(huán)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)無(wú)法被消耗。

2.4 堿液對(duì)堿溶酸析法提取泥炭黃腐酸的紫外光譜的影響

黃腐酸紫外可見(jiàn)光譜見(jiàn)圖3。

由圖3可知，在210～240 nm出現(xiàn)1～2個(gè)吸收峰，不同方法獲得的黃腐酸的紫外譜圖吸收峰在200～800 nm隨波長(zhǎng)的增大先增大后逐漸趨于0。黃腐酸在短波位置吸收強(qiáng)且隨著波長(zhǎng)的增大而減小，是因?yàn)辄S腐酸是一種高度不飽和的芳香化合物，使得黃腐酸在紫外區(qū)的吸收較強(qiáng)。在280 nm附近出現(xiàn)強(qiáng)吸收且在260～330 nm范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)吸收平臺(tái)，表明黃腐酸具有芳香結(jié)構(gòu)。

圖3 黃腐酸的紫外可見(jiàn)圖譜

E4/E6是研究黃腐酸結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo)，E4、E6分別是465，665 nm處的吸光度值，可以反應(yīng)黃腐酸分子的分子量的大小，與E4/E6的比值呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，即比值越大分子量越小[14]。見(jiàn)圖4，空白組NH3·H2O得到的黃腐酸E4/E6最大為1.94；用碳酸氫鈉獲得的黃腐酸的E4/E6為1.48，為最小值，用氨水溶解獲得黃腐酸分子量較小，用碳酸氫鈉獲得的分子量較大。

圖4 黃腐酸的E4/E6

經(jīng)氫氧化鈉預(yù)處理發(fā)酵后得到的黃腐酸E4/E6明顯增大，氨水獲得的黃腐酸E4/E6比值達(dá)3.11，比將泥炭直接甲烷發(fā)酵后提取的黃腐酸提高 60.3%，經(jīng)氫氧化鈉預(yù)處理發(fā)酵后黃腐酸的分子量均下降，表明氫氧化鈉預(yù)處理可以促進(jìn)甲烷發(fā)酵過(guò)程，更多的黃腐酸被微生物利用、消耗，生成更多的甲烷，這與記錄的總產(chǎn)氣量結(jié)果吻合。

2.5 堿液對(duì)堿溶酸析法提取泥炭黃腐酸的熒光光譜的影響

由圖5可知，黃腐酸熒光光譜均在400～450 nm處有吸收峰，栗婷婷等研究表明，在310～550 nm的熒光峰為類富里酸和類腐植酸物質(zhì)[15]。由于黃腐酸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有多種不飽和基團(tuán)，使其產(chǎn)生的吸收峰相互交疊，形成見(jiàn)圖5的光譜。

圖5 黃腐酸的熒光光譜

相比黃腐酸標(biāo)準(zhǔn)品的熒光光譜，不同方法的黃腐酸的最大出峰位置均發(fā)生藍(lán)移，1-Na2SO3、1-Na2CO3、1-NaHCO3和1-NH3·H2O的最大峰位置分別由標(biāo)準(zhǔn)品的432 nm藍(lán)移至420，419，415，414 nm 處。表明不同方法獲得的黃腐酸結(jié)構(gòu)不完全相同，分子不飽和基團(tuán)的種類和數(shù)量上有差別。根據(jù)Li等[16]研究，有機(jī)質(zhì)中芳構(gòu)化程度高的稠環(huán)等的存在，會(huì)導(dǎo)致最大熒光峰發(fā)生紅移。可推測(cè)發(fā)酵過(guò)程中黃腐酸部分被微生物消耗利用，芳構(gòu)化程度降低，最大熒光峰藍(lán)移。

3 結(jié)論

(1)在NaOH添加體系中堿處理發(fā)酵組總產(chǎn)氣量相比于空白組增加了12.3%，由Na2SO3、Na2CO3、NaHCO3和NH3·H2O溶解泥炭得到的黃腐酸產(chǎn)率分別下降了8.32%，17.2%，5.6%，27.1%，表明用氫氧化鈉預(yù)處理泥炭發(fā)酵可消耗利用更多的黃腐酸，促進(jìn)發(fā)酵過(guò)程，生成更多的甲烷。亞硫酸鈉提取黃腐酸產(chǎn)量、濃度均較高，且其價(jià)格較為低廉，故為提取黃腐酸的最優(yōu)堿液。

(2)堿處理發(fā)酵后，黃腐酸的羥基減少，氨基、亞甲基、羰基、苯環(huán)增多。氨水、亞硫酸鈉溶解獲得黃腐酸有較多的羥基、羰基、苯環(huán)，而碳酸鈉溶解得到的黃腐酸各種官能團(tuán)含量都處于較低水平。

(3)紫外-可見(jiàn)光譜表明，黃腐酸分子芳構(gòu)化程度較高。從氨水溶解獲得黃腐酸分子量較小，由碳酸氫鈉獲得的黃腐酸分子量較大。經(jīng)氫氧化鈉預(yù)處理發(fā)酵后得到的黃腐酸E4/E6明顯增大，經(jīng)氫氧化鈉預(yù)處理發(fā)酵后黃腐酸的分子量均下降。

(4)不同方法獲得的黃腐酸結(jié)構(gòu)不完全相同，分子不飽和基團(tuán)的種類和數(shù)量上有差別，發(fā)酵過(guò)程中黃腐酸部分被微生物消耗利用，芳構(gòu)化程度降低。