Ce3+对厌氧产氢性能影响

赵明星， 王永会， 阮文权

（江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡214122）

厌氧发酵产氢是生成清洁能源氢气的有效途径之一，因其具有高效性和经济性而受到人们的关注[1]。在产氢过程中，产氢微生物活性的高低是影响产氢效率的重要因素之一。先前的研究表明，金属离子对微生物生长、能量代谢和酶活性保持等方面有重要作用[2]。一些学者针对某些金属元素如Fe、Co、Ni等在投加浓度、产氢效率促进效应和酶活影响等方面展开了较全面的研究[3]。

相对于上述金属元素，稀土元素是一类光谱性较强的元素，研究表明稀土元素能通过与细胞膜结合影响膜上有关酶的活性或改变膜的通透性，调节细胞的信息传递系统，影响细胞内一系列生理、生化变化，从而影响微生物活性[4]。Liu等[5]发现La3+会增大Escherichia coli细胞膜的通透性，从而更容易被溶解酶攻击。夏青等[6]发现一定浓度的La3+和Ce3+能提高VFA（Volatile fat acid）转化为甲烷的效率。但关于稀土元素对产氢的影响报道较少。作者通过分析添加不同质量浓度Ce3+对产氢过程中各指标的变化，明确Ce3+对废水产氢效率的影响。

1 材料与方法

1.1 实验用水

试验用水采用人工模拟废水[7]，具体成分见表1。

表1 模拟废水成分Table 1 Constituents of synthetic wastewater

1.2 产氢微生物

产甲烷颗粒污泥取自苏州某企业的IC反应罐，经121℃、15 min热处理后作为产氢污泥。热处理后的产氢污泥经活化后用于本实验。产氢污泥TS为11.35%，VS为73.89%。

1.3 实验装置

采用500 mL的血清瓶作为反应容器，置于（35±1）℃的振荡水浴锅中进行发酵，气体收集采用排水法，具体实验装置见文献[8]。

1.4 实验方法

取350 mL实验用水于反应装置中，添加不同的Ce3+元素，使Ce3+在反应瓶中的质量浓度分别为0.025、0.05、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L，再向各个反应瓶中加入一定量的产氢污泥，调节各个反应瓶中的pH至7.5，充10 min氮气维持厌氧状态后进行产氢实验，产氢过程中未调节pH值。以不添加Ce3+的反应瓶为对照。每组做3个平行样，图中数据为平行样的平均值。

1.5 测定方法

TS（Total soid），VS（Volatile solid）:采用质量法[9]；葡萄糖:采用 DNS法[10]；脱氢酶酶活:采用 2-3-5-triphenyltetrazolium chloride（TTC）为底物，经脱氢酶催化还原反应后生成红色产物T TCH2-trifenylformazane（TF），根据TF颜色测定脱氢酶活性[11]。

氢气:采用气相色谱仪（GC910，上海科创色谱仪器有限公司），热导检测器，色谱柱为不锈钢填充柱，填料为5A分子筛，柱长:1 m×φ6 mm，柱温90℃，汽化温度100℃，检测器温度100℃，载气为氩气。

挥发性脂肪酸（VFA）:采用液相色谱仪（Agilent 1100，美国）测定，柱子型号 ZORBAX SB-Aq，柱长150 mm，直径4.6 mm，流动相为0.5%乙腈，99.5%KH2PO4（0.02 mol/L），pH 2.0（用磷酸调节），流动相流速0.5 mL/min。进样量10 μL，柱温30℃，检测器为紫外检测器（210 nm）。

对产氢量采用Gompertz模型进行非线性拟合[12]:

其中，H为累计产氢量 （mL）；P为最大产氢量（mL）；Rm为最大产氢速率 （mL/h）；λ 为产氢延迟时间（h），e为自然对数。

2 结果与讨论

2.1 添加Ce3+对产氢量影响情况

图1为各反应组的产氢情况，可知经过约4 h的延迟期后各组开始产气，产气集中在第4～13小时，从第13小时后产气量变化不大。最终产氢量先随着添加Ce3+质量浓度的增加而提高，但从添加0.1 mg/L后开始下降。添加0.1 mg/L组的产氢量最大，达到123.2 mL/g，比对照提高20.3%。添加10.0 mg/L组的产氢量最低，为89.2 mL/g，是对照的87.1%。

图1 添加不同Ce3+下各组分的产氢情况Fig.1 Hydrogen yield by adding different concentration of Ce3+

添加不同质量浓度Ce3+的产氢动力学模型参数见表2。在所有反应组中，添加0.1 mg/L组表现出较大的优势，各产氢组的Rm中，添加0.1 mg/L组＞添加0.05 mg/L组＞添加0.5 mg/L组＞添加0.025 mg/L组＞对照＞添加5.0 mg/L组＞添加1.0 mg/L组＞添加10.0 mg/L组。随着添加Ce3+质量浓度的提高，产氢延长时间λ也增加，这主要是由于Ce3+会吸附到微生物表面，质量浓度越大越会延缓微生物利用葡萄糖进行代谢的速率。从最大比产氢率分析，添加0.1 mg/L组的最大比产氢率是对照的1.32倍。

表2 添加不同浓度Ce3+产氢动力学参数Table 2 Kinetic parameters of hydrogen generation by adding different concentration of Ce3+

研究结果表明，添加一定质量浓度的Ce3+能促进产氢效率，而过高质量浓度对产氢有抑制作用，具有hormesis效应。一定质量浓度的Ce3+会扩大微生物细胞膜的通透性，有利于微生物从外界环境中吸收和利用营养物质。然而高质量浓度的Ce3+会在细胞膜表面形成正电子层，阻碍营养物质进入细胞。同时高质量浓度的Ce3+会与DNA、RNA和酶结合引起这些物质的钝化，导致抑制效应[13]。这与夏青等[14]发现Ce3+对产甲烷的低促高抑效应的结论相类似。但本实验的最佳Ce3+添加质量浓度较夏青等[14]高，这主要可能是产氢和产甲烷微生物性质不同而引起的。

2.2 添加Ce3+对VFA量影响情况

氢气是伴随着VFA的产生而生成的，分析VFA的变化能对产氢起到一定的指导作用。由图2可知，各个反应组的VFA量都随着反应时间的延长而增加。各个组分VFA的增加时间为第3～13小时。第13小时各个反应瓶中的VFA为3 020.0、3 264.1、4 350.3、4 481.8、3 199.4、2 363.7、2 691.6、1 933.1 mg/L，分别比第 3小时增加了2 596.0、2 457.2、3 303.8、3 884.7、2 797.8、2 205.1、2 092.4、1 803.4 mg/L。反应结束后，添加0.1、0.05 mg/L组的VFA 量较大，分别为 4 511.8、4 420.3 mg/L，是对照的1.49和1.46倍。而10.0 mg/L组的VFA量最低，为1 993.1 mg/L，是对照的65.8%。梁睿等[15]发现投加Ce3+在1～10 mg/L时，反应体系会出现一定程度的VFA累积。

图2 产氢过程中各组分VFA变化情况Fig.2 Change of VFA during hydrogen process by adding different concentration of Ce3+

分析图1和图2可知，产氢量与VFA的变化趋势较一致，前3小时产氢微生物处于适应期，从第3小时候后葡萄糖迅速酸化，产生大量VFA，同时伴随氢气的迅速产生，从第13小时后，随着底物的耗尽，VFA保持稳定，氢气量也变化不大。

2.3 各反应组最终葡萄糖利用率与pH情况

反应结束后，各组分的葡萄糖利用率和pH情况见图3。从图3可知，葡萄糖利用率呈现先增大后减小的趋势，其中0.1 mg/L组的利用率最大为92.1%，而10.0 mg/L组的利用率最小，为76.2%。实验表明，添加一定量的Ce3+有利于激活微生物活性，从而提高葡萄糖的利用。

产氢是伴随着有机酸的生成而产生的，但有机酸的累积会使体系pH值下降[16]。在反应结束后，各反应组的pH维持在5.0～5.08。随着产氢的进行，葡萄糖大量降解为有机酸，有机酸累积使得pH下降。由于反应过程中各组分都未调节pH，因此pH从初始的7.5降到最终的5.0左右。

图3 反应结束后各组分的葡萄糖利用率和pH情况Fig.3 Utilization of glucose and final pH after reaction

2.4 产氢过程中脱氢酶酶活变化情况

脱氢酶与细胞内的氧化磷酸化过程紧密相关，是反映厌氧发酵体系中微生物活性的一个重要指标[17-18]，对添加0.1、10.0 mg/L组和对照进行了脱氢酶活的分析。从图4可知，脱氢酶都是呈先增加后降低趋势。对照组和0.1 mg/L组前3小时酶活达到最大，为 4 583.9、5 042.3 μg/（g·h），随后酶活都下降，反应结束后酶活为 984.3、1 305.3 μg/（g·h）。 而添加10.0 mg/L组的酶活最大出现在第5小时，为3 405.4 μg/（g·h），是添加 0.1 mg/L 组的 67.54%。

图4 反应过程中脱氢酶的变化Fig.4 Change of dehydrogenase enzyme during anaerobic process

一开始随着反应的进行，酶活不断增大，这主要是开始时底物充足，微生物大量降解葡萄糖，整个体系中的微生物处于增长期，酶活性较高。随着底物的消耗和反应体系中pH的降低，微生物活性受到抑制，酶活下降。分析3个组分可知，添加10.0 mg/L组出现峰值的时间较其他两组晚，这可能是随着添加稀土元素的增加，吸附到微生物表面的量越多，使得活性受到抑制，酶活较低而且出现高峰的时间较晚。夏青等[13]研究发现，添加一定质量浓度的Ce3+有利于产甲烷菌F420酶活的提高，而过高质量浓度会降低酶活。比较图1和图4可知，酶活出现高峰的时间都在产氢高峰前，这主要可能是酶活的高表达为产氢高峰做好前期铺垫。这与李永灿等[19]研究结果较一致。

3 结语

研究了添加稀土元素Ce3+对废水产氢的影响。结果表明，添加0.1 mg/L组对产氢的促进作用最明显，产氢量达到123.2 mL/g，比对照提高20.3%。Gompertz模型表明，添加0.1 mg/L组最大比产氢率是对照的1.32倍。产氢过程中各组的VFA量都是先增加后趋于稳定。最终各组的葡萄糖利用率在76.2%～92.1%，pH 下降至 5.0～5.08。 添加 0.1、10.0 mg/L组和对照组的脱氢酶都呈先增加后降低的趋势，添加0.1 mg/L组对脱氢酶有促进作用，酶活最大达到 5 042.3 μg/（g·h），比对照提高 10.0%。

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