厌氧发酵过程中辅酶F420浓度与产甲烷能力关系探究*

郭博文，许国芹，柳静，王昌梅，赵兴玲，杨红，吴凯，杨斌，梁承月，尹芳，张无敌

(1.云南师范大学，云南 昆明 650500；2.红河学院，云南 蒙自 661100)

1 引言

厌氧发酵产沼气是一种节能、清洁和高效处理有机废物的重要手段[1]，有机废物经厌氧消化可以产生沼气，消化后的剩余物——沼渣和沼液经过处理可还田耕种，不仅能够实现资源的循环利用，还能减少环境污染[2].研究表明厌氧发酵所产气体的甲烷含量受产甲烷菌的影响[3]，辅酶F420是产甲烷菌中所特有的作为电子载体的辅酶[4]；吴唯民等[5]提出辅酶F420含量能间接表示产甲烷菌的数量或产甲烷的能力；基于这一特性，许多学者进行研究和论证[6-9]，但都没有仔细考察发酵过程中辅酶含量与产甲烷能力的关系.

我国是世界第三大燃料乙醇生产国，2019年用于生产燃料乙醇的玉米占总原料的57%[10]，利用玉米生产乙醇过程中会产生大量的废弃物，其中的玉米酒精废醪含有大量的淀粉、蛋白质和碳水化合物等有机质且酸度高[11-14]，适合用于厌氧发酵产沼气，因此本实验以玉米酒精废醪为研究对象，设置两个不同的温度进行发酵，通过测定污泥发酵过程中产气量、甲烷含量和辅酶F420浓度，探究发酵体系中辅酶F420浓度与产甲烷能力间关系.

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

玉米酒精废醪为玉米经传统“双酶法”[15]发酵后进行固液分离所得的固态废渣，总固体含量(TS)为37.48%，挥发性固体含量(VS)为97.05%；接种物为经实验室长期驯化的厌氧活性污泥，TS为11.97%，VS为56.77%.实验装置为实验室自制的批量式发酵装置[16].

2.2 实验方法

2.2.1 发酵方法

设定发酵体系的TS为6%，计算得到接种物投量为310 g，玉米酒精废醪投量为29.06 g，用沼液定容至800 mL.用批量式发酵法分别在27 ℃和37 ℃下发酵，每个发酵温度进行3个平行.

2.2.2 测定项目

(1)采用常规法(烘干法)测定原料的TS和VS；VSS(挥发性悬浮物)含量按重量法测定[17].(2)日产气量通过气袋收集，利用针筒从取样口抽取的方式测量.用GC-7900气相色谱仪测定甲烷浓度.(3)利用紫外-可见光分光光度法测定辅酶F420浓度[18]，以每VSS浓度计算辅酶F420浓度.

3 结果与分析

3.1 实验结果

3.1.1 日产气量和甲烷含量

图1为玉米酒精废醪在不同温度下发酵的日产气量及甲烷含量随时间的变化曲线；从图中可以看出，产气均正常进行，实验开始至产气有短暂的停滞期，停滞期结束后均开始快速产气；37 ℃时日产气量变化较大，第6天出现产气高峰后产气量开始快速下降；而27 ℃时日产气量变化较小.产气开始后，甲烷含量迅速增加，然后缓慢增长到最大值，在产气后期缓慢下降.

3.1.2 累计产气量和累计甲烷量

图2为玉米酒精废醪在不同温度下发酵的累计产气量和累计产甲烷量曲线；可以发现停滞期结束后曲线均快速上升，第15天左右由于大部分原料及中间产物被产甲烷菌所利用，没有充足的原料继续发酵，所以产气速率开始下降并逐渐趋于0；37 ℃发酵组的累计产气量和累计产甲烷量均高于27 ℃发酵组.

图1 不同温度下日产气量和甲烷含量Fig.1 Daily gas production and methane content at different temperatures

图2 不同温度下累计产气量和累计产甲烷量Fig.2 Cumulative production of gas and methane at different temperatures

3.1.3 辅酶F420浓度

图3为不同温度下发酵体系的污泥中辅酶F420浓度的变化曲线，37 ℃辅酶浓度明显高于27 ℃，表明发酵温度对辅酶F420浓度有着巨大影响.

图3 发酵过程中辅酶F420浓度Fig.3 Coenzyme F420 concentration during the fermentation process

3.2 结果分析

3.2.1 不同温度下产气情况比较

对比不同温度下的产气情况可知，玉米酒精废醪在37 ℃时日产气量及甲烷含量较高，这是因为37 ℃更适于厌氧发酵微生物菌群的生长，厌氧分解和产甲烷的速度也较快，因而累计产气量、累计甲烷产量和辅酶F420浓度也较高.

3.2.2 辅酶F420浓度与产甲烷能力关系

厌氧发酵体系的产甲烷能力可用甲烷产量进行衡量，它与体系中的有机质总量密切相关，因此每隔4 d测量一次发酵液的TS，并根据当天的甲烷产量计算出该天的甲烷产率(=甲烷产量/发酵体系TS质量).将甲烷产率与对应时期的辅酶F420浓度进行线性拟合，具体结果如图4，可以看出甲烷产率与辅酶F420浓度之间存在良好的线性关系.

图4 (a)27 ℃和(b)37 ℃下甲烷产率与辅酶F420浓度拟合曲线Fig.4 Fitting curves of methane yield and coenzyme F420 concentration at (a)27 ℃ and (b)37 ℃

4 结语

以玉米酒精废醪为原料，探究在两个不同温度下的厌氧发酵情况以及辅酶F420含量，得到如下结果：

(1)实验说明37 ℃下原料的厌氧消化产气情况比27 ℃下好.

(2)通过对甲烷产率与辅酶F420浓度进行拟合，发现二者之间具有良好的线性关系，因此利用F420浓度判断发酵体系产甲烷情况是可行的.