稻壳作为缓释碳源及载体的改性研究

杨平, 刘青松, 石广辉, 李华, 董宏标, 段亚飞, 张家松,3,*



稻壳作为缓释碳源及载体的改性研究

杨平1,2, 刘青松1, 石广辉1, 李华1, 董宏标1, 段亚飞1, 张家松1,3,*

1. 中国水产科学研究院南海水产研究所, 农业部南海渔业资源开发利用重点实验室, 广东省渔业生态环境重点实验室, 广东 广州 510300 2. 上海海洋大学水产与生命学院, 上海 201306 3. 中国水产科学研究院南海水产研究所深圳基地, 广东深圳 518121

稻壳可作为废水处理的外加碳源, 通过适当改性处理可提高其应用性能。为探索稻壳的改性条件, 以不同浓度的NaOH、Ca(OH)2、NaClO为改性试剂对稻壳进行改性处理, 并研究了改性后稻壳的表面结构、芽孢杆菌吸附量、静态释碳量、可生化性以及成分含量变化。结果表明: 6% NaOH、0.9% Ca(OH)2和3% NaClO处理对稻壳表面糙化、芽孢杆菌吸附性和静态释碳能力有良好的提升效果。在此三组中, 6% NaOH处理后稻壳可生化效果最佳, CD600增长率为其他处理组的4倍; 纤维素含量增加了16.03%, 灰分含量显著降低, 仅剩4.9%; 且结构改性效果最为明显, 适用于稻壳改性优化。

稻壳; 化学改性; 缓释碳源

0 前言

随着水产养殖业的发展, 养殖废水治理日益重要, 目前多使用生物法处理水产养殖废水[1]。由于该废水含碳量低, 在处理过程中需外加碳源以保证反硝化脱氮性能[2-3]。外加碳源材料中, 甲醇、蔗糖和葡萄糖等[4-7]低分子有机物和糖类成本较高。稻壳作为农业废弃物, 廉价易得; 且有机碳含量高, 具有能被微生物利用的粗纤维、淀粉和粗蛋白, 可为反硝化反应提供充足的碳源, 作为外加碳源材料更具优势[8]。稻壳含有大量毛细孔结构及亲水性官能团, 可为微生物附着提供较大的比表面积和吸附力。但是, 稻壳中还具有不能被微生物利用的灰分以及结晶度较高的木质素、纤维素, 这限制了其作为碳源和生物载体的使用[9]。

改性可提高生物质材料的利用效果, 如棉花秸秆经NaOH处理后木质素含量降低, 纤维素利用率升高[10]; 玉米秸秆经稀H2SO4处理后半纤维素及纤维素结晶度降低[11]。生物质材料改性方法多, 但大多工序复杂、条件苛刻。该研究拟在室温条件下, 通过化学改性的方式, 提高稻壳作为反硝化碳源及生物载体的利用效果。该试验选择了不同浓度的NaOH、Ca(OH)2和NaClO为改性试剂对稻壳进行改性, 检测了改性稻壳的表面结构、芽孢杆菌吸附量、静态释碳量、可生化性以及成分含量变化。通过探讨不同试剂、不同试剂浓度对稻壳的改性效果, 确定稻壳改性的最佳条件, 并对稻壳改性机理进行分析, 以期为其他材料改性提供一定的借鉴。

1 材料和方法

1.1 仪器及试剂

稻壳(中山市小榄镇稻谷加工厂); 海水晶(广州市海荔水族科技有限公司); 芽孢杆菌(广州市欣海利生生物科技有限公司); NaOH、Ca(OH)2、NaClO(AR, 广州化学试剂厂); 鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司); 恒温培养振荡器(上海智城分析仪器制造有限公司); 超声波清洗机(宁波新芝生物科技股份有限公司); 高效液相色谱仪(日本岛津公司HPLC-20AT); 电子扫描电子显微镜(日本日立公司TM3000)。

1.2 试验方法

1.2.1 稻壳改性

稻壳过孔径为0.9 mm的筛网后去离子水冲洗3遍, 85 ℃鼓风干燥、备用。以NaOH、Ca(OH)2和NaClO作为改性试剂, 配置不同浓度改性溶液(表1), 按照7.5 g稻壳每100 mL溶液的比例对稻壳进行改性。振荡反应去除残液后, 去离子水冲洗稻壳至中性, 85 ℃鼓风干燥、备用。

1.2.2 微观形貌分析

将未处理组与各种处理组稻壳干燥后, 粉碎至60—80目大小, 使用TM3000型扫描电子显微镜分别对各组进行微观形貌扫描观察。扫描电压设置为15 KV, 放大倍数为300倍, 抽真空并拍照记录。

1.2.3 改性稻壳吸附芽孢杆菌

称取未处理组与处理组稻壳各0.3 g, 分别加入50 mL芽孢杆菌菌液(1.595×108cfu·mL-1)中, 于摇床中振荡吸附6 h。收集稻壳, 除去其表面菌液, 并于50 mL灭菌水中超声清洗15 min, 取1 mL超声清洗液, 用平板菌落计数法计数。

1.2.4 改性稻壳静态释碳

配置盐度为30的人工海水, 并进行灭菌处理。取未处理组与处理组稻壳各1 g置于200 mL人工海水中, 28 d后测其CODMn。

1.2.5 改性稻壳可生化性

改性所用培养液含(NH4)2HPO4(0.5 g·L-1)、KH2PO4(1.3 g·L-1)、Na2HPO4(3.2 g·L-1)、Na2SO4(0.8 g·L-1)、NaNO3(1 g·L-1)、NaCl(25 g·L-1), 调pH至7.2, 116℃灭菌15 min。取不同处理组稻壳各2 g, 分别加入200 mL培养液中, 并接种3 mL养殖水处理系统中的生物[12]样品, 24 h为周期检测培养液OD600。

1.2.6 改性稻壳成分分析

使用高效液相色谱法测定改性稻壳的纤维素、半纤维素、木质素和灰分含量。待测样品经Ba(OH)2调节pH至6—7, 0.2 μm滤膜过滤, 使用高效液相色谱仪进行检测。色谱检测条件如下: 色谱分离柱, BioradAminex HPX-87H Column(300×7.8 mm, 9 μm);保护柱, BioradMicroguard Cation-H(30×4.6 mm); RI示差检测器; 流动相为去离子水, 流速为0.6 mL·min-1; 20 μL进样体积; 85 ℃柱温。

表1 稻壳改性试剂选择试验

2 结果与分析

2.1 稻壳改性试剂浓度的初选

2.1.1 改性稻壳扫描电镜观察

通过改性可改变稻壳结构, 优化稻壳作为反硝化碳源及载体的条件, 因此该试验对不同处理组稻壳进行了扫描电镜分析。如图1所示, 未处理组稻壳表面分布着排列整齐的圆锥状突起(a)。如此致密的表面结构会阻碍微生物附着于稻壳内部, 其大量的孔道结构虽增加了稻壳比表面积(b), 但不能很好的被微生物利用。经改性试剂处理后, 其表面结构出现明显变化。其中经6% NaOH处理的稻壳, 表面变化最为显著, 其圆锥状突起大量消失, 甚至形成了众多不规则孔状结构(f)。降低NaOH浓度之后, 对稻壳表面的破坏依然有一定效果(e), 但降到2%时破坏便不再明显(d)。经Ca(OH)2处理后, 稻壳表面无明显变化, 仍保留大量圆锥状突起(g, h, i)。略高浓度的NaClO也能明显破坏稻壳表面结构, 但破坏并不彻底(j, k)。该结果表明, NaOH和NaClO均可破坏稻壳致密表层, 所导致的松散结构及粗糙表面预示着稻壳更适于作为碳源和载体。

注: 图1所示分别是a.未处理稻壳外表面, b.未处理稻壳断面, c.未处理稻壳内表面, d.2% NaOH处理, e.4% NaOH处理, f.6% NaOH处理, g.0.2% Ca(OH)2处理, h.0.55% Ca(OH)2处理, i.0.9% Ca(OH)2处理, j.1% NaClO处理, k.2% NaClO处理, l.3% NaClO处理

Figure 1 Untreated and modified rice husk SEM

2.1.2 芽孢杆菌吸附量

通过检测稻壳吸附芽孢杆菌量, 测定改性稻壳对微生物的吸附性能。由图2可知, 不同改性试剂, 或相同试剂不同浓度, 均可对稻壳吸附的芽孢杆菌造成影响。经NaOH改性处理后, 各浓度处理组所吸的附芽孢杆菌量均升高, 各浓度处理后菌落数相对于对照组分别增加了0.105×107cfu·mL-1、0.19× 107cfu·mL-1和0.22×107cfu·mL-1, 且其吸附量呈现一定浓度依赖性, 经6% NaOH处理增加最多。表明通过NaOH改性处理可提高稻壳吸附芽孢杆菌的能力, 且适当增加NaOH浓度可提高稻壳的微生物吸附性能。Ca(OH)2处理也可使稻壳芽孢杆菌吸附量升高, 且呈现浓度依赖性。0.2% Ca(OH)2处理后芽孢杆菌吸附量较对照组降低, 经0.55% Ca(OH)2浓度处理升高不明显, 至0.9%浓度时芽孢杆菌吸附量才出现明显升高, 增加了0.385×107cfu·mL-1。表明稻壳经一定浓度的Ca(OH)2处理, 可提高芽孢杆菌吸附性能。低浓度Ca(OH)2改性效果不明显, 可能是由于Ca(OH)2为弱碱, 只有达到一定浓度时才能对稻壳产生作用。NaClO处理后的菌落数明显低于未处理组, 2%浓度处达到最大值。升高或降低试剂浓度均不能提高稻壳对芽孢杆菌的吸附能力。此结果表明相对较高浓度的NaOH和Ca(OH)2处理稻壳后可升高其菌吸附量。

注: UN, SH, CH 和SHC分别代表未处理组, NaOH, Ca(OH)2, NaClO, 下同。

Figure 2 Modified rice husk adsorption

2.1.3 静态释碳量

改性处理后稻壳静态释碳量如图3所示, 各处理组之间释碳量具有一定差异, 但是与未处理相比, 不同处理组均可增加稻壳的静态释碳量。其中NaOH处理组稻壳的释碳量均增加, NaOH浓度为6%时增加最大(5.738 mg·L-1)。Ca(OH)2处理组仅在0.9%浓度时, 稻壳释碳量出现增加(3.11 mg·L-1)。NaClO处理组在2%、3%浓度时稻壳释碳量出现明显升高, 分别较未处理组增加了8.588 mg·L-1和15.164 mg·L-1, 明显高于其他两处理组。该试验通过使用不同浓度试剂对稻壳进行改性, 使稻壳释碳量出现不同程度的增加。其中高浓度NaClO增加最显著, 高浓度NaOH及Ca(OH)2也起到了一定的效果, 表明经所选试剂改性后, 稻壳更加适于成为碳源材料。

2.2 改性稻壳的可生化性

改性试剂浓度的初选实验中, 综合扫面电镜观察的结构变化、芽孢杆菌吸附量和释碳量结果, 表明6% NaOH、0.9% Ca(OH)2和3% NaClO处理组对稻壳的改性均具有明显作用。因此, 该研究选择此三组进行更深入的探究。

图3 改性稻壳释碳量

Figure 3 Modified rice husk release carbon content

图4 改性稻壳可生化性

Figure 4 Modified rice husk biodegradability

在对改性稻壳的可生化性研究中, 经处理后的稻壳其生物量均高于未处理组, 且均呈现先升高后降低的趋势。其中, 6% NaOH处理组的稻壳生物量增加幅度远高于其他各组, 在第5 d时OD600达到最高值(0.155), 远高于0.9% Ca(OH)2和3% NaClO处理组的最高值(0.031和0.056)。而0.9% Ca(OH)2和3% NaClO处理组在试验周期内, 其OD600值相较于未处理组, 仅出现小幅度升高。此结果表明, 经6% NaOH处理后, 稻壳的可生化性具有非常显著的提升。

2.3 改性稻壳成分分析

稻壳的释碳量和可生化性与其成分有关, 并且其成分更是影响了稻壳作为碳源材料的质量。因此该实验对改性后的稻壳进行成分分析, 结果表明, 改性处理后稻壳中纤维素和灰分含量出现变化, 半纤维素和木质素含量变化不显著。纤维素含量经6% NaOH处理后显著升高, 增加了16.03%, 经0.9% Ca(OH)2和3% NaClO处理后增加不明显, 仅分别增加了1.55%、2.35%; 稻壳半纤维素含量经6% NaOH处理后增加了5.45%, 其他两组半纤维素含量无明显变化; 稻壳木质素含量经不同处理后含量减少, 分别减少了1.78%、2.36%和3.39%(图5)。稻壳灰分含量在6% NaOH处理组降低到4.9%, 在3% NaClO处理组出现略微下降。该结果表明, 经6% NaOH处理后, 可除去稻壳中大部分的灰质, 这也预示着稻壳更易被微生物利用。

3 讨论

化学改性工艺简洁, 所需条件温和、污染少, 是国内外常用的改性方式。多数学者将农林废弃物进行化学改性, 以使其成为优质原料及生物膜载体。该研究选取NaOH、Ca(OH)2和NaClO对稻壳进行改性, 以改进其作为碳源和载体的性能。

经不同浓度改性试剂处理后, 稻壳表面出现不同程度的糙化, 较为直观的体现了改性处理的效果, 之后的各种生化检测也证明了改性稻壳的良好性能。生物膜载体对菌类的吸附能力是评价其性能的重要指标。在该研究中, 改性后稻壳吸附芽孢杆菌的量明显增加, 其中6% NaOH和0.9% Ca(OH)2处理组效果最为明显。除稻壳外, 玉米秸秆[13]、栗苞炭化料[14]、花生壳[15-16]等被NaOH改性后, 对特定物质的吸附能力也出现了增长。其原因之一是, 这些生物质材料的比表面积与孔径均在NaOH改性后出现增大, 较大的比面积可为微生物吸附提供更多生存空间, 利于微生物附着。电镜扫描结果也证实, 经6% NaOH处理后, 稻壳表面有多处不规则小孔, 相应的其菌吸附量也较多。而NaClO处理稻壳后, 其菌吸附量比未处理降低很多, 这应是由于NaClO为强氧化剂, 具有强抑菌性[17], 这种处理会使微量NaClO残留于稻壳中, 抑制了芽孢杆菌的活性, 从而影响了稻壳对芽孢杆菌的吸附量。

图5 改性稻壳成分变化

Figure 5 Modified rice husk composition variation

稻壳含大量纤维素、木质素、淀粉和少量粗脂肪、还原糖, 有机碳达到58%以上, 是良好的碳源材料[18]。但是作为缓释碳源, 其释碳量与多种因素有关, 如稻壳成分含量、水溶性和水解程度等。由于未处理稻壳中灰分含量高, 使得稻壳水溶性较差, 且各成分结合紧密等因素限制了其释碳能力[19]。在该研究中, 高浓度的改性试剂均使得稻壳释碳量明显增加, 这应是改性试剂破坏了稻壳自身结构并改变稻壳成分含量所致, 这与电镜扫描观察结果相符。由图(f, 1)可看出, 6% NaOH及3% NaClO改性后稻壳表面明显更加粗糙多孔, 相应的其释碳量也增加明显。

基于6% NaOH、0.9% Ca(OH)2和3% NaClO对稻壳表面结构的改造效果及其菌吸附量、静态释碳量的明显提高, 该研究对此三组改性稻壳进行了可生化性分析和成分分析。其中0.9% Ca(OH)2处理组和3% NaClO处理组稻壳的可生化性提升不明显, 成分含量也无明显变化。而经6% NaOH处理后, 稻壳可生化性显著升高, 灰质大部分被去除。

经0.9% Ca(OH)2处理后, 电镜扫描结果表明稻壳结构无明显变化, 这预示着其成分变化不会明显; 其较低的释碳量也限制了该组的可生化能力, 虽然kim等人证明玉米秸秆纤维素和半纤维素可被Ca(OH)2降解为单体或低聚物, 但那是在高温, 且经长时间处理完成的[20]。经NaClO处理后, 稻壳表面圆锥状突起有小部分被除去, 这也符合该组灰质和木质素含量略微降低的结果; 而NaClO强抑菌性导致的低菌吸附能力, 也是导致该组可生化性不高的原因之一。6% NaOH处理稻壳后, 稻壳表面结构破坏彻底, 且灰分含量明显降低。这是由于稻壳所含的17.6%的灰分是表层圆锥状突起主要成分[21-22], 而灰分含有大量的酸性氧化物SiO2[23-24], NaOH较易与SiO2反应, 所以处理后去除灰分、即圆锥状突起的效果明显。而Ca(OH)2与SiO2反应生成难溶物硅酸钙, NaClO为弱电解质不易与SiO2反应, 所以两者对稻壳灰分去除效果较差。在6% NaOH处理组中, 致密表层的破坏和灰分的去除, 为微生物的附着和利用纤维素、木质素等有机碳提供了便利。并且先前研究表明, NaOH可有效降低稻壳中纤维素和半纤维素等高分子化合物的结晶度, 从而增加微生物利用效果[25]。这些均使得6%NaOH处理组具有更高的菌吸附性、静态释碳量和可生化性。

4 结论

该研究以不同浓度的NaOH、Ca(OH)2、NaClO对稻壳进行改性, 并检测了改性稻壳的表面结构, 芽孢杆菌吸附量、静态释碳量、可生化性以及成分含量变化。结果表明, 6% NaOH处理组对稻壳改性效果最佳。6% NaOH处理组与未处理组稻壳相比, 其表面糙化效果良好, 芽孢杆菌吸附量升高了0.22×107cfu·mL-1; 静态释碳量增加5.738 mg·L-1; 生物纤维素含量增加16.03%; 灰分含量降低了12%; 其可生化性能提升极为显著。与其他处理组相比, 各项指标显示6% NaOH处理组改性效果更明显。

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Research on modification of rice husk as slow-release carbon and bio-carrier

YANG Ping1,2, LIU Qingsong1, SHI Guanghui1, LI Hua1, DONG Hongbiao1, DUAN Yafei1, ZHANG Jiasong1,3,*

1. South China Sea Fishery Research Institute, Chinese Academy of Fishery Science, Key Lab of South China Sea Fishery Resources Exploitation& Utilization, Ministry of Agriculture, Guangdong Provincial Key Lab. of Fishery Ecology Environment, Guangzhou 510300, China 2. College of Fishery and Life Science, Shanghai Ocean University. Shanghai 201306, China 3.Shenzhen Base of South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shenzhen 518121, China

Rice husk can be used as slow-release carbon for wastewater treatment. Its performance can be improved after chemical modification. In order to obtain the optimal modifying condition, NaOH, Ca(OH)2and NaClO was used as modified reagent. The morphology, bacillus adsorption, static carbon release ability, biodegradability and component of the modified rice husk were investigated. The results showed that after modified by 6% NaOH, 0.9% Ca(OH)2and 3% NaClO, the surface of the rice husk became more rough and the bacillus absorption, static carbon release ability were increased. Especially, after modified by 6% NaOH, the rice husk showed the best biodegradability, and the value of OD600was four times higher than other treatment groups. The content of cellulose in modified rice husk was increased 16.03% and the content of ash was decreased to 4.9%. Thus, being modified by 6% NaOH was the optimal modifying condition to increase the performance of rice husk in wastewater treatment.

rice husk; chemical modification; slow-release carbon

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.015

S969.38

A

1008-8873(2019)02-112-07

2018-03-26;

2018-04-03

中国-东盟海上合作基金; 中国水产科学研究院南海水产研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2017YB15); 广东省海洋经济创新发展区域示范专项(GD2012-A02-011); 深圳市战略性新兴产业和未来产业发展专项资金(201605051733565380); 广东省自然科学基金项目(2017A030313147, 2015A030310393); 农业部南海渔业资源开发利用重点实验室开放基金(FREU2017-01); 中国水产科学研究院基本科研业务费和农业部海洋渔业可持续发展重点实验（2018HY-XKQ01）

杨平(1994—), 女, 河南新乡, 硕士研究生, 研究方向为循环水养殖水处理技术, E-mail:yangping19588@163.com

张家松, 男, 江苏徐州, 博士, 研究员, 从事水产养殖技术与微生物学研究, E-mail:jiasongzhang@hotmail.com

杨平, 刘青松, 石广辉, 等. 稻壳作为缓释碳源及载体的改性研究[J]. 生态科学, 2019, 38(2): 112-118.

YANG Ping, LIU Qingsong, SHI Guanghui, et al. Research on modification of rice husk as slow-release carbon and bio-carrier[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 112-118.