稀土元素对褐煤发酵产甲烷的影响*

马力通 郝思雯 王亚雄，3 姬心悦

(1.内蒙古科技大学化学与化工学院，014010 内蒙古包头；2.生物煤化工综合利用内蒙古自治区工程研究中心，014010 内蒙古包头；3.内蒙古自治区煤化工与煤炭综合利用重点实验室，014010 内蒙古包头)

0 引 言

我国褐煤资源储量丰富，但由于其煤化程度低，用作发电原料使用时，利用率低且易对环境造成污染。褐煤中氧含量及侧链官能团较多，适合微生物转化利用[1]，因此，利用厌氧微生物的帮助生产生物甲烷，是褐煤资源高效清洁利用的研究方向之一。

目前褐煤生物转化存在甲烷产率低的问题，限制了褐煤的有效利用，而厌氧发酵由产甲烷菌等厌氧微生物协同互作完成，从微生物生长的角度增加产气量值得深入研究[2-4]。已有文章报道低浓度稀土元素有利于增强微生物活性，而添加量过高时会产生抑制作用[5]，这种“低促高抑”的现象被称为Hormesis效应[6]，且不同种类稀土元素对不同微生物的影响也不尽相同[7]。柴瑞娟等[8]报道了Ce3+和La3+对枯草芽孢杆菌细胞生长的影响，结果显示两种元素添加量分别为200 mg/L时，菌株活性最高。GE et al[9]发现Nd3+，La3+和Ce3+对Arnebiaeuchroma活性的影响呈先增强后变弱的趋势，Nd3+，La3+和Ce3+添加量分别为0.1 mmol/L，0.02 mmol/L和0.1 mmol/L时，菌株生长最好。ZHANG et al[10]研究了La3+对大肠杆菌生长转化的影响，发现低浓度的La3+会抑制大肠杆菌摄取外源 DNA，影响其生长效果。NAKAGAWA et al[11]发现添加La3+后菌株生长正常同时甲醇脱氢酶(methanol dehydrogenase，MDH)活性得到增强，并首次提出稀土元素作为一个辅因子影响微生物代谢途径及代谢过程中的酶。目前稀土化合物对混菌发酵，特别是以褐煤为底物的生物甲烷转化的影响研究未见报道。为探索稀土元素对褐煤生物转化产甲烷的影响，外加不同质量浓度的LaCl3和NdCl3，考察稀土元素对褐煤生物甲烷发酵过程中日产气量、总产气量、pH值、脱氢酶活性和乙酸质量浓度的影响，为提高褐煤基生物甲烷产量探索新途径。

1 实验部分

1.1 实验材料

活性污泥源于包头市南郊污水处理厂，经厌氧驯化后，储存于4 ℃的冰箱中。褐煤购自内蒙古赤峰市平庄煤矿，其工业分析和元素分析结果见表1。

表1 平庄褐煤的工业分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of Pingzhuang lignite

1.2 实验方法

本实验采用全自动甲烷潜力测试系统(AMPTSⅡ)，先将40 g粉碎至粒径为0.065 mm(过60目筛)的褐煤和200 mL厌氧活性污泥加入发酵瓶中，然后分别添加不同质量浓度的LaCl3(见表2)和NdCl3(见表3)，调节初始pH值为7.0，加蒸馏水至400 mL，最后通氮气驱除空气120 s以提供厌氧条件，发酵温度为50 ℃。在反应过程中，搅拌通过电机自动控制，每次搅拌1 min，间隔30 min进行一次。仪器自动记录日产气量和总产气量，产气量数据由每克褐煤产气得出，每3天测量样品的pH值、脱氢酶活性和乙酸质量浓度变化。本实验采用两组全自动甲烷潜力测试系统、30个发酵反应瓶，形成10个质量浓度梯度，每个质量浓度3个平行，结果取平均值。

表2 添加不同质量浓度LaCl3的褐煤生物甲烷化反应体系Table 2 Lignite biomethanation reaction system with addition of different mass concentrations of LaCl3

表3 添加不同质量浓度NdCl3的褐煤生物甲烷化反应体系Table 3 Lignite biomethanation reaction system with addition of different mass concentrations of NdCl3

1.3 检测方法

产气量：通过AMPTSⅡ测定日产甲烷量和总产甲烷量，发酵单元产生的生物甲烷首先通过NaOH吸附单元，最后只有CH4才能进入气体体积测量单元； pH值：采用雷磁PHS-25 pH计测定； 脱氢酶活性：采用分光光度法测定[12]；乙酸质量浓度：采用Agilent-1260 Infinity高效液相色谱仪测定，色谱柱为Agilent Hi-Plex H(7.7 mm×300 mm，8 μm)，检测器为示差检测器，柱温设置为60 ℃，流动相采用0.005 mol/L硫酸溶液，流速为0.5 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 稀土元素对褐煤生物甲烷发酵过程中日产气量的影响

图1所示为添加不同质量浓度LaCl3和NdCl3对褐煤生物甲烷化日产气量的影响。由图1可以看出，在褐煤生物甲烷发酵前期的12 d内，添加稀土元素对日产气量的促进作用明显。空白组在第8天日产气量最大，为2.15 mL/g，随后日产气量逐渐波动减少；LaCl3添加体系中，La4组日产气量峰值明显提高，在第10天为2.70 mL/g，且发酵过程中第5～6天和第9～11天共有两次产气高峰，产气效果优于其他组，La1，La2，La3和La5组日产气量峰值分别为1.11 mL/g，1.20 mL/g，1.94 mL/g和2.03 mL/g，说明1 000 mg/L LaCl3能增强褐煤生物甲烷发酵体系中微生物活性，并延长产气高峰期；NdCl3添加体系中，Nd1组在第9天日产气量为2.25 mL/g，峰值明显高于Nd2，Nd3和Nd4组的日产气量峰值1.63 mL/g，1.58 mL/g和1.34 mL/g，揭示100 mg/L NdCl3可提高褐煤生物甲烷发酵的产气速率。结果表明，加入适宜质量浓度的LaCl3和NdCl3有利于加快褐煤生物甲烷化体系的产气速率，提高甲烷产量[13-14]。发酵完成后各组的碳含量发生改变，空白组、La4组和Ndl组碳含量分别降至60.43%，55.75%和58.85%，表明添加LaCl3和NdCl3有利于促进厌氧微生物对褐煤碳元素的利用，进而转化产生更多的CH4。

图1 添加不同质量浓度LaCl3和NdCl3对褐煤生物甲烷化日产气量的影响Fig.1 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3on daily gas production of lignite biomethanation

2.2 稀土元素对褐煤生物甲烷发酵过程中总产气量的影响

图2所示为添加不同质量浓度LaCl3和NdCl3对褐煤生物甲烷化总产气量的影响。由图2可知，不同质量浓度LaCl3和NdCl3的添加对褐煤生物甲烷发酵总产气量的影响存在差异。褐煤生物甲烷发酵进行27 d，空白组总产气量为16.08 mL/g；LaCl3添加体系中，La4组总产气量为23.81 mL/g，相比于空白组增加了48.1%，总产气量显著高于其他实验组，表明LaCl3质量浓度为1 000 mg/L时可以明显提高总产气量；NdCl3添加体系中，Nd1组总产气量为17.80 mL/g，比空白组总产气量高10.7%，添加量超过100 mg/L后，总产气量随着NdCl3质量浓度的增加而逐步降低，Nd4组总产气量仅为空白组的77.8%，这是因为一定质量浓度的La3+，Nd3+能增强细胞膜的通透性，使得微生物更好吸收和利用褐煤甲烷发酵系统的营养物质；然而过高质量浓度的La3+，Nd3+会吸附到产甲烷微生物周围，阻碍营养物质进入微生物细胞[5]，使得产气量下降。此外，高质量浓度的稀土元素也可能会与DNA，RNA和酶结合使其钝化，从而产生抑制作用[15]。

图2 添加不同质量浓度LaCl3和NdCl3对褐煤生物甲烷化总产气量的影响Fig.2 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on total gas production of lignite biomethanation

2.3 稀土元素对褐煤生物甲烷发酵过程中pH值的影响

pH值是影响厌氧发酵产甲烷的重要元素之一，微生物的生长代谢与褐煤生物甲烷发酵过程pH值变化紧密相关。图3所示为不同质量浓度LaCl3和NdCl3对褐煤生物甲烷化pH值的影响。由图3可知，pH值整体呈先下降后波动上升的趋势，各反应组起始pH值均为7.0。空白组在第3天pH值下降到6.45，后缓慢上升，在第21天达到峰值7.61，后期保持在7.47～7.61，这是因为褐煤有机质在水解阶段积累了少量乙酸，使得pH值下降，随后产甲烷阶段，产甲烷菌利用小分子脂肪酸、甲基等与CO2逐步生成CH4[16]，乙酸含量减少，pH值上升。在LaCl3添加体系中，La4组pH值在第3天下降到6.45，后缓慢上升至峰值7.51，后期保持在7.40～7.51，处于厌氧发酵产甲烷的适宜的pH值范围之内，与其他反应组相比pH值变化更平稳，说明添加1 000 mg/L LaCl3有利于激活微生物抑制酸积累，促进褐煤生物甲烷化持续进行。NdCl3添加体系中，Nd1组pH值在第3天下降到6.50，然后在波动中上升至峰值7.59，与各组pH值变化相似，只是不同添加质量浓度下pH值峰值略有差异，随着褐煤厌氧发酵不断进行，发酵系统内微生物菌群相互竞争，引起pH值波动[17]。结果表明添加LaCl3和NdCl3能提高产甲烷微生物活性，抑制乙酸积累，保证褐煤生物甲烷化反应的持续进行[18]。

图3 添加不同质量浓度LaCl3和NdCl3对褐煤生物甲烷化pH值的影响Fig.3 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on pH value of lignite biomethanation

2.4 稀土元素对褐煤生物甲烷发酵过程中脱氢酶活性的影响

脱氢酶能将氢从底物转移到受体，其活性可以反映微生物菌群对底物的降解和转化能力， 是评判厌氧发酵系统微生物活性的一个重要指标[19]。

图4所示为添加不同质量浓度LaCl3和NdCl3对褐煤生物甲烷化脱氢酶活性的影响。由图4可知，脱氢酶活性呈先上升后下降的趋势，在反应开始阶段，各反应组脱氢酶活性较低，空白组起始脱氢酶活性是48.5 μgTPF/(h·mL)，随着厌氧发酵初期水解反应的进行，第6天脱氢酶活性增加到60.5 μgTPF/(h·mL)，由于褐煤甲烷发酵中营养物质不断消耗以及pH值的改变，微生物活性逐渐变弱[19-20]；LaCl3添加体系中，La4组在整体发酵过程脱氢酶活性高于其他发酵组脱氢酶活性，在第9天脱氢酶酶活性最高，为399.8 μgTPF/(h·mL)，说明添加1 000 mg/L LaCl3可以促进甲烷发酵体系微生物的活性；NdCl3添加体系中，Nd1组脱氢酶活性在第9天达到峰值134.9 μgTPF/(h·mL)，明显高于其他反应组脱氢酶活性。结果显示添加LaCl3和NdCl3有助于增强厌氧发酵产甲烷微生物活性并提高微生物菌群对褐煤的降解能力。

图4 添加不同质量浓度LaCl3和NdCl3对褐煤生物甲烷化脱氢酶活性的影响Fig.4 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on dehydrogenase activity of lignite biomethanation

2.5 稀土元素对褐煤生物甲烷发酵过程中乙酸质量浓度的影响

乙酸质量浓度是衡量厌氧发酵稳定性的一个重要指标，在褐煤甲烷发酵过程中，褐煤有机质在厌氧微生物作用下分解生成乙酸，进而转化为CH4，且乙酸含量与pH值变化紧密相关。

图5所示为添加不同质量浓度LaCl3和NdCl3对褐煤生物甲烷化乙酸质量浓度的影响。由图5可知，乙酸质量浓度呈先上升后下降的变化趋势，空白组初始乙酸质量浓度是25.8 mg/L，在产氢产乙酸菌作用下褐煤中易分解的有机质降解产生乙酸，第9天乙酸质量浓度最高，达到188.6 mg/L，随着褐煤甲烷发酵的进行，乙酸逐渐转化为CH4，乙酸质量浓度减少[21]。LaCl3添加体系中，La4组乙酸质量浓度在起始阶段为34.2 mg/L，第9天最高，为889.7 mg/L，明显高于其他发酵组乙酸质量浓度，表明添加1 000 mg/L LaCl3组有更多的乙酸可转化为CH4；NdCl3添加体系中，Nd1组初始乙酸质量浓度为26.3 mg/L，第9天乙酸质量浓度达到峰值1 133.8 mg/L，随后乙酸逐渐转化产生CH4，导致其质量浓度回落。添加稀土元素后乙酸质量浓度变化与前述总产气量的变化趋势一致，提示添加稀土元素LaCl3和NdCl3后产甲烷微生物活跃，乙酸转化为生物甲烷的能力更强，褐煤转化产甲烷量更高[22]。

图5 添加不同质量浓度LaCl3和NdCl3对褐煤生物甲烷化乙酸质量浓度的影响Fig.5 Effects of mass concentrations of LaCl3 and NdCl3 on mass concentration of acetic acid of lignite biomethanation

3 结 论

1) 添加稀土元素LaCl3和NdCl3有助于提高褐煤发酵产甲烷的能力。添加1 000 mg/L LaCl3时，总产气量达到23.81 mL/g，与空白组总产气量相比增加了48.1%；添加100 mg/L NdCl3时，总产气量为17.80 mL/g，比空白组总产气量增加了10.7%。

2) 添加稀土元素LaCl3和NdCl3的褐煤发酵反应体系脱氢酶活性显著增强。添加1 000 mg/L LaCl3褐煤发酵组脱氢酶活性最高为399.8 μgTPF/(h·mL)，添加100 mg/L NdCl3褐煤发酵组脱氢酶活性峰值为134.9 μgTPF/(h·mL)，均远高于空白组的60.5 μgTPF/(h·mL)，表明添加LaCl3和NdCl3有助于提高微生物对褐煤有机质的降解能力并提高甲烷产量，促进褐煤生物甲烷转化。

3) 添加稀土元素LaCl3和NdCl3后，乙酸转化为生物甲烷的能力更强。1 000 mg/L LaCl3组乙酸质量浓度最高达到889.7 mg/L，100 mg/L NdCl3组乙酸质量浓度峰值为1 133.8 mg/L，明显高于空白组乙酸质量浓度188.6 mg/L，表明添加LaCl3和NdCl3有助于增强产甲烷微生物活性，提高乙酸转化生物甲烷的能力，增加褐煤生物甲烷产量。稀土元素添加对环境的影响有待进一步深入研究。