微量元素和无机酸根阴离子对厌氧消化的影响

刘萌萌，孙 辰，侯 芳，汪密密，苗 洋，胡士涛，谢 云，王欣欣

(嘉兴学院 生物与化学工程学院，浙江 嘉兴 314001)

随着农业现代化的飞速发展，秸秆和畜禽粪等农业废弃物对环境造成的污染问题日益突出。如果不能及时有效处理，这些废弃物不仅会对生态环境造成破坏，而且也造成其中可降解有机物资源的浪费。利用厌氧消化技术对农业废弃物进行处理，既有利于生态环境的保护，又可产生清洁能源沼气，具有广阔的应用前景。

厌氧消化是一个多种微生物的参与的生物化学反应过程，其中的代谢途径具有多样性和可调控性，微生物之间存在互利共生、种间竞争等多种相互作用，从而使厌氧消化体系形成一个有机的生态系统[1]。厌氧发酵过程通常被人为分为水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段。每个阶段中，不同类型厌氧微生物利用上一阶段的产物作为下一阶段的底物进行生化反应。发酵过程的稳定是不同种群的微生物在各自代谢最优条件下协同作用的结果[2]。在稳定运行的厌氧消化体系中，各类有机物(畜禽粪便、农作物秸秆、餐厨垃圾、生活污水等)作为微生物的营养源，经过逐级微生物食物链的新陈代谢功能，最终产生末端产物沼气和沼肥[3]。

目前，厌氧消化过程中容易出现酸化抑制产气的问题，尤其是在高负荷厌氧消化条件下，水解与产甲烷两个过程不能较好地相适应，易引起挥发性有机酸积累，使产甲烷过程受到抑制，最终导致厌氧消化生物系统失稳。因此，大部分沼气工程选择在低负荷条件下运行。这样操作，虽然可以保证厌氧发酵系统的稳定性，但造成发酵效率低下和反应器体积资源的浪费，使工程系统整体经济效益不够理想[4]。随着技术的进步和研究的深入，工程师提出各种解决办法，其中之一就是添加微量元素或提高微量金属元素的生物有效度，通过增强产甲烷阶段的酶活性，调节厌氧系统中微生物种群的生理活动，来解决沼气工程运行中发生率很高的酸化问题。

1 厌氧消化过程的影响因子

适宜的生存条件是厌氧消化微生物维护发酵体系的生态平衡的基础，这些条件包括温度、酸碱度、氧化还原势、传热传质条件及其它环境因素。将众多的影响因素进行归类，可分为三大类，即原料和接种物特性、外部环境影响因素及发酵中间产物。

原料种类和接种物来源是影响厌氧消化过程的基础因素，原料和接种物的C/N比、宏量营养元素浓度、微量金属元素浓度、原生微生物种类和数量、料液黏度等因素均是影响发酵系统的运行的重要参数。外部环境影响因素包括发酵温度、水力停留时间、有机符合率、pH值、发酵液浓度、搅拌速率和方式等。发酵过程中产生的中间产物如挥发性脂肪酸、氨态氮等会对消化系统产生促进或抑制作用[4]。在调节发酵C/N比、有机负荷等工艺参数的传统调控方式之外，添加外源微量元素或开发内源微量元素的生物利用效率，从而促进产甲烷菌的抗逆能力，是新兴的研究热点。

2 微量元素在厌氧消化过程中的作用

厌氧消化体系中，微量元素的作用在于激活微生物酶活性，增加微生物种群和代谢途径的生物多样性，增强发酵体系中微生物种群间的协调和稳定，从而改善发酵酸化问题，实现发酵体系平稳运行和高效产气。微量元素不足将导致微生物菌群营养不足，因此发生有机物降解不完全、系统运行不稳定。微量元素投加技术是在可控条件下对微生物进行原位选择，促进形成生态结构合理的微生物群落。对于采取了正常操作条件，但发酵过程运行仍不稳定的厌氧消化体系，微量元素含量的不足及其生物有效性的降低是首要应考虑的影响因素[5]。

2.1 微量元素的种类

微量元素是指在厌氧消化体系中存在量或需求量很少，但对厌氧消化生化反应具有不可替代的重要作用的元素。微量元素主要包括Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Mo、W元素等。它们对厌氧消化生化反应所起的作用各不相同，主要是作为厌氧发酵微生物酶系统中不同的辅酶、辅基、辅因子的组成成分，对厌氧发酵的产酸、产甲烷等多阶段反应过程起调控作用。

2.2 微量元素的功能

微量元素促进厌氧消化体系形成稳态、抗酸化、提高有机物降解率和产气效率的根本原因在于其生理功能。Fe是产甲烷菌体中含量最丰富的微量金属元素，不仅能合成和激活多种生物酶，还可以沉淀体系中多余的硫化物，降低硫化物的毒性，此外，Fe可以刺激胞外聚合物的分泌，促进微量元素的生物吸收和利用。Co是咕啉类物质的组成成分，存在于特定的酶中，如一氧化碳脱氢酶。该酶是产乙酸过程中催化氧化还原反应。Ni参与合成产甲烷菌和丙酸氧化菌中的一氧化碳脱氢酶，是甲基辅酶还原酶重要组成成分，对硫酸盐还原菌具有重要作用。H2还原CO2合成甲烷也需要Ni。Cu是超氧化物歧化酶和氢化酶的重要成分，参与催化氢气的氧化或者质子的还原。Zn在多种产甲烷菌中参与合成甲酸盐脱氢酶、超氧化物歧化酶、氢化酶等。Se、Mo、W参与合成甲酸盐脱氢酶。Mo对硫酸盐还原菌的代谢形成拮抗作用，制约硫化物合成。W能促进产甲烷菌利用CO2和H2合成甲烷[6]。Fe、Cu和Mo元素是硝酸盐、亚硝酸盐还原酶的组成成分，有利于氨氮的氧化，这可能是微量元素促进厌氧消化产甲烷过程和拮抗高氨氮毒害作用的原因之一[5]。

在发酵底物成分复杂的发酵液中，不同微量元素各自发挥功能，多种元素组合形成的协同促进作用，以及抵抗逆境因子的拮抗作用，是维持厌氧发酵系统在较高有机负荷下长期稳定运行的重要原因。Kelly和Switzenbaum[7]以乳清加工废水为原料进行厌氧消化，研究发现仅仅添加N、P常规营养元素，出水VFA浓度偏高；而组合添加 Fe、Co、Ni的微量元素可迅速降低出水中的VFA浓度。潘云霞等[8]以牛粪为原料进行厌氧消化，发现向反应器中连续投加Fe、Co、Ni微量金属元素，可加速厌氧反应器的启动并显著提高COD去除率及产气量。

2.3 微量元素促进厌氧消化的作用机理

微量元素促进厌氧消化其具体的作用机理是多方面的。一方面，微量元素特别是 Fe、Co、Ni的加入可以定向扩增反应器内产甲烷菌的优势菌种。Takashima和 Speece[9]报道微量元素Fe、Co、Ni组合加入使反应器内产甲烷菌的优势菌种由索氏甲烷丝菌转变为巴氏甲烷八叠球菌，从而提高了系统中乙酸的利用率。另一方面，微量元素可以对发酵过程中产生的毒性物质发生拮抗作用。相对于食物链上游的发酵菌，厌氧处理中产甲烷菌对毒性物质更为敏感，根据Li和 Speece[10]的报道，投加微量元素能够缩短甲烷菌耐受高钠离子的驯化时间，降低高钠离子对产甲烷菌的毒性作用。李亚新等[11]研究表明，Fe、Co、Ni能拮抗氨氮毒性，并且拮抗作用随氨氮浓度升高而愈加明显。

2.4 微量元素生物有效性的影响因素

厌氧消化体系与自然界中土壤、沉积物、污泥等厌氧体系相类似。目前，微量元素生物有效性的研究多集中于土壤研究领域，在厌氧消化领域相对较少。冷旭勇等[12]认为，土壤中影响微量元素有效性的关键指标是pH值和有机质含量。随着土壤中有机质含量升高，土壤中有效Zn、有效Cu、和有效B浓度水平呈现升高趋势；随着土壤pH值的升高，土壤中有效B浓度水平呈现升高趋势；相反，有效Fe、有效Mn和有效Mo浓度水平则随pH值的升高而降低。姚晓芹等[13]通过室内培养试验研究磷酸对微量元素有效性的影响，结果发现随着磷酸浓度的升高，有效 Fe和有效Mn浓度水平呈现先升高而后降低的趋势；有效Zn和有效 Cu浓度水平则随着磷酸浓度的升高而增加；使用硫酸为对照，有效 Cu浓度水平则呈现先升高而后降低的规律。

3 酸根阴离子在厌氧消化过程中的作用

厌氧微生物群体产气过程的微量元素的影响的研究是国内外研究热点。但是，微量元素的生物有效性的发挥，与碳酸盐、磷酸盐、含氮化合物和硫化物等无机酸根对微量元素具体化学形态的调控作用密不可分。厌氧消化发酵液中无机酸根会与微量元素发生化学反应，如形成沉淀、共价化合物等。此外，含有不同酸根阴离子的无机盐和有机盐为厌氧微生物提供除C、N以外的各种营养物质。因此，酸根阴离子也是影响和调控厌氧消化系统稳态的重要因子。

3.1 酸根阴离子类型

碳酸盐、含磷化合物、含氮化合物和硫化物的无机配合基，以及对微量元素生物有效性均发挥着重要作用。目前研究较多的酸根阴离子类型是无机酸根离子，包括SO42-、NO3-、HCO3-、CO32-等。此外，马欢等[14]认为在一定浓度范围内，Mo7O246-可以提高混合微生物种群对原料的转化利用率；而Mo7O246-可以与C6H5O72-产生的交互作用，促进厌氧消化进行；部分原因在于，Mo对氨基酸、生物碱和碳水化合物等的合成代谢与运输具有调控作用[15]。

3.2 酸根阴离子的作用

厌氧消化体系中，含量适宜的无机酸根离子可以促进微生物生理活性，从而提高厌氧消化系统的整体效率。马欢等[14]考察了6种不同酸根阴离子对混合菌群发酵产氢过程的影响，研究结论表明，SO42-、NO3-等阴离子均可促进产氢。俞冰倩等[16]通过研究发现，盐碱土壤中古细菌群落结构多样性与土壤中酸根阴离子的类型和浓度有关；盐陆生菌属对SO42-的浓度有明显响应；嗜盐碱单孢菌属对HCO3-/CO32-的浓度有明显响应。

SO42-、NO3-等酸根阴离子对发酵过程并不是单一的促进作用，这些离子也会激活发酵液中的有毒重金属元素，对产甲烷菌的活性和甲烷生成过程产生抑制作用。产甲烷菌是稻田土壤遭受重金属Cd胁迫的首要生物指标。相关研究显示，SO42-等阴离子是土壤溶液的主要成分，随着酸根阴离子浓度的增加Cd的有效态水平升高；相比Cl-和NO3-，Cd在SO42-处理下对土壤造成的危害更为严重[17-20]。厌氧消化体系中含量过多的有效Cu可以通过影响酶活性而对产甲烷过程产生抑制或毒性作用[21]。实验结果显示，相较Cl-和NO3-体系中而言，SO42-体系中铁质砖红壤对Cu的吸附率显著升高[22-23]。这种规律也同样适用于其他的微量过渡金属元素，如Zn、Fe、Co等[24]。

4 前景与展望

基于微量元素和酸根阴离子对稳定厌氧消化体系的重要作用，在操作参数正常的条件下，一旦发生酸化和产气量下降，由酸根阴离子调控的微量元素生物有效性的不足是需考虑的关键因素。因此，通过调控酸根阴离子提高微量金属元素的生物有效度，是解决运行中出现的酸化等问题的新思路和有效途径之一。针对微量元素和酸根阴离子在厌氧消化工程应用中的技术开发前景，进行如下结论和展望：

微量元素在厌氧消化系统中化学存在形态和生物有效性的动态变化、不同微量元素间的协同效应、及酸根阴离子等影响因子对微量元素生物有效利用率的调控作用是研究的难点。此外，外源添加微量元素存在潜在的环境风险。应根据具体的生物利用效率来优化最佳微量元素添加量，避免微量元素额外添加造成的重金属二次污染。应重点开展对环境负面作用较小的微量元素在厌氧消化中的应用研究，如Se、Mo，Fe等；尽量避免添加易对土壤形成污染的金属，如Cu、Zn、Ni等。含酸根阴离子的盐可为微生物提供除C、N源以外的重要营养元素，也对微量元素生物有效性的调控发挥着重要影响。因此，未来研究工作可将酸根阴离子与微量元素生物有效性之间、与厌氧微生物之间的相互作用机制，以及酸根阴离子对厌氧消化系统中微生物群落结构的诱导和优化作用作为新的研究方向。