Co改性水熱生物炭強(qiáng)化高濃度磺胺二甲嘧啶下的雞糞厭氧消化

＊柳宇彤 彭子玉 張洋 牛啟桂*

（1.山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 山東 266237 2.濰坊市濱海生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心 山東 262737）

雞糞厭氧發(fā)酵（AD）有很高的生物能源生產(chǎn)潛力，可被用作厭氧消化（AD）系統(tǒng)的底物。然而，其中磺胺類(lèi)抗生素（SAs）會(huì)以原始形式或代謝物隨糞污一起被排泄到環(huán)境中[1]，高濃度SAs可以造成揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）累積，進(jìn)而影響AD效率[2]。近年來(lái)，通過(guò)添加水熱生物炭（HC）來(lái)增強(qiáng)AD系統(tǒng)穩(wěn)定性被認(rèn)為可行。金屬Co是輔酶M甲基轉(zhuǎn)移酶所必需的，HC與金屬離子的摻合，可以引入官能團(tuán)、增強(qiáng)孔隙率等改善其性能[3]。然而，負(fù)載金屬也可能會(huì)降低HC孔徑，從而減少功能微生物的附著[4]。因此，使用不同濃度的金屬離子改性劑會(huì)使得改性后的HC性能不同。目前，對(duì)不同負(fù)載濃度的HC性能研究較少，對(duì)一些復(fù)雜環(huán)境AD體系下Co改性水熱炭的增效機(jī)制仍不清晰。

基于此，本研究通過(guò)制備HC及Co改性HC，系統(tǒng)探討了Co-HC對(duì)高濃度磺胺二甲嘧啶（SMZ）存在下的AD增效機(jī)理及微生物群落演替規(guī)律。

1.材料和方法

(1)未改性及Co改性HC的制備與表征

滸苔（EN）采集自中國(guó)青島海岸。EN與去離子水按照1:1加入到250mL高溫高壓反應(yīng)釜中，在200℃下，60rpm條件下攪拌2h，待反應(yīng)釜的溫度冷卻至室溫后，將產(chǎn)物從反應(yīng)釜中取出，在105℃下干燥制得未改性水熱炭（HC）。通過(guò)在不同濃度（0.3mmol/L、1.5mmol/L、3mmol/L）CoCl2溶液中的浸漬（2h）及相同的水熱化條件下制得改性炭，命名為Co0.3-HC、Co1.5-HC、Co3-HC。分別用X射線光子能譜（XPS）和循環(huán)伏安法（CV）分析水熱炭表面官能團(tuán)及電子傳遞能力。

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與取樣分析

采用120mL（工作體積為100mL）的血清瓶，反應(yīng)溫度為（35±1）℃。設(shè)計(jì)了HC-S、Co0.3-S、Co1.5-S、Co3-S并設(shè)置空白對(duì)照C0，SMZ抑制對(duì)照S，如表1。胞外聚合物（EPS）、VFAs濃度，動(dòng)力學(xué)擬合及DNA提取和測(cè)序方法如Yao等[5]所述。

2.結(jié)果與討論

（1）甲烷生成的動(dòng)力學(xué)分析。各實(shí)驗(yàn)組的甲烷產(chǎn)量如圖1(a-b)所示，S累積甲烷產(chǎn)量小于C0，說(shuō)明0.5 g/L的SMZ對(duì)厭氧消化產(chǎn)生輕微抑制，這與Ma等[6]發(fā)現(xiàn)一致，即278mg/L SMZ降低了牛糞厭氧消化系統(tǒng)16%的產(chǎn)沼氣能力。然而，Co改性水熱炭顯著提升了累積甲烷產(chǎn)量，Co1.5-S和Co3-S均達(dá)到最大累積甲烷產(chǎn)量145mL。然而由圖1(c)可知Co1.5-S遲滯期（A）被延長(zhǎng)了4倍。結(jié)合圖2(b)可知，這是由于Co改性水熱炭增強(qiáng)酸化效率，在初期抑制了產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)從而導(dǎo)致遲滯期延長(zhǎng)。

圖1 累積氣體(a)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)P(b)和A(c)

圖2 VFA濃度-時(shí)間曲線圖(a)，AD酸化效率(b)和EPS的3D-EEM熒光光譜(c-d)

（2）水熱炭對(duì)高濃度磺胺下AD的VFA及腐殖酸生成的影響。Co改性水熱炭使乙酸在初始階段迅速累積圖2(a2)。過(guò)高的丙酸鹽（＞1000mg/L）或乙酸鹽濃度（≥4000mg/L）會(huì)嚴(yán)重?fù)p害AD的穩(wěn)定性[6]。而本實(shí)驗(yàn)中二者均未超過(guò)該抑制閾值。結(jié)合圖2(b)得，Co改性水熱炭的加入顯著提高了酸化效率，為甲烷生成提供了更多的底物。由細(xì)胞分泌的EPS可分為可溶性（SEPS）、松散結(jié)合（LB-EPS）和緊密結(jié)合（TBEPS）[7]。圖2(c-d)表明Co1.5-HC使R2（富里酸）和R5（腐殖酸）的熒光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，該部分與電子得失能力有關(guān)[8]，從而可能強(qiáng)化了電子傳遞。

（3）水熱炭材料的性能表征。閉合曲線的積分面積表示水熱炭的比電容，比電容越高，充放電性能越好[9]。由圖3(a)表明Co1.5-HC具有更好的充放電性能，從而有利于電子轉(zhuǎn)移。由圖3(c-d)和表2可知，與氧化還原性質(zhì)相關(guān)的含氧官能團(tuán)包括COOH、C-O、C=O在Co1.5-HC中含量豐富。石墨-N具有很強(qiáng)的供電子特性[10]，其占比從HC的20.48%提升至Co1.5-HC的25.22%。Co以二價(jià)的形態(tài)成功負(fù)載到Co1.5-HC表面圖3(d)。綜上，Co1.5-HC表面更豐富的官能團(tuán)可能有助于誘導(dǎo)微生物以進(jìn)一步增強(qiáng)甲烷的形成。

圖3 水熱炭的CV圖(a)、XPS圖譜及分峰結(jié)果(b-f)

表2 水熱炭表面官能團(tuán)的形態(tài)

（4）微生物群落變化。圖4(a)中，顯示了相對(duì)豐度＞1%的主要細(xì)菌屬組成。如圖所示，uncultured-Family XIV屬通常可以降解纖維素，產(chǎn)生氫氣，從S的3.86%上升到Co1.5-S的8.34%。與多糖降解有關(guān)的Lutispora屬和Acholeplasma屬分別從S的0.22%上升到Co1.5-S的2.45%，從S的0.21%上升到Co1.5-S的1.13%。因此，Co改性水熱炭促進(jìn)了水解酸化細(xì)菌豐度的上升。

圖4 屬水平(a)的細(xì)菌群落；微生物群落演替的Mental test分析(b)，功能菌占比(c-e)

由圖4(b)可知，Co負(fù)載濃度顯著影響了E、AM、HM和SY。由圖4(d-e)可知，Syntrophomonas（從S組的2.00%上升到3.69%）和Mesotoga（從S組的2.78%上升到4.65%）成為Co1.5-S的主要合養(yǎng)菌。與合養(yǎng)菌相反電活性細(xì)菌（Petrimonas，Desulfobulbus，Desulfotomaculum，Desulfomicrobium）的豐度隨著水熱炭炭金屬離子濃度的增加而減少，這表明水熱炭可能是通過(guò)提高微生物之間的電子傳遞而不是富集電活性細(xì)菌來(lái)提高AD系統(tǒng)產(chǎn)氣性能。這些結(jié)果表明，不同Co濃度HC的加入是推動(dòng)微生物群落演替的重要因素。

由圖4(c)可知，氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌（Methanolinea、Methanosarcina）相對(duì)占比分別從S組的5.30%、3.69%顯著富集到Co1.5-S的12.49%、9.37%。Methanolinea可以在導(dǎo)電材料的幫助下參與DIET。Methanosarcina能夠接受電活性細(xì)菌的電子，以執(zhí)行DIET。Wang等[11]也發(fā)現(xiàn)添加水稻秸稈生物炭材料有效提高了AD中的HM豐度。因此，Co改性水熱炭可能通過(guò)提高HM豐度來(lái)促進(jìn)DIET。

3.結(jié)論

在AD系統(tǒng)中，Co-HC改性濃度的優(yōu)化為1.5mmol/L，最大累積甲烷產(chǎn)量增加了1.25倍，顯著增強(qiáng)了酸化效率及腐殖酸的分泌，從而改善了高濃度磺胺二甲嘧啶下甲烷產(chǎn)量。此外，合養(yǎng)菌（Syntrophomonas、Mesotoga）和氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌（Methanolinea、Methanosarcina）對(duì)Co-HC的改性濃度表現(xiàn)出顯著性正相關(guān)，說(shuō)明Co改性水熱炭通過(guò)增強(qiáng)合養(yǎng)菌和氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的合養(yǎng)關(guān)系，進(jìn)而提高甲烷產(chǎn)量。