土霉素浓度对猪粪厌氧发酵的影响

2021-06-19李浇林王昌梅赵兴玲张无敌

可再生能源 2021年6期

李浇林，王昌梅，2，赵兴玲，2，吴凯，2，尹芳，2，张无敌，2

（1.云南师范大学能源与环境科学学院，云南昆明650500；2.吉林东晟生物质能工程研究院，吉林通化134118）

0 引言

抗生素是指由微生物（包括细菌、真菌和放线菌属）或高等动植物在生长过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物。抗生素能干扰其他生物细胞的发育功能，对动物生长健康具有重要的促进作用，从而被广泛地应用于畜禽养殖业。近年来，我国抗生素产量逐年增加，如2008年我国抗生素生产总量为21万t，2013年的抗生素生产总量较2008年增长了18.1%，其中46.1 %被用于畜禽养殖业[1]。进入动物体内的抗生素只有10%～30%被母体吸收，大部分以初始母体或代谢产物的形式排出体外，直接或间接进入环境，造成水体、土壤等污染，并对人类健康产生潜在危害[2]。土霉素（Oxytetracycline，OTC）是一种广谱半合成抗生素，是目前最常用于预防和治疗动物疾病的四环素类抗生素[3]。

近年来，我国农业产业结构不断调整，畜禽养殖业的发展迎来了新的阶段，养殖规模日益扩大。随着养殖规模的扩大，含有抗生素的畜禽粪便排放导致了水体、空气、土壤污染等一系列新的环境问题。针对畜禽粪便的面源污染，目前主要有存储集中利用、堆肥和厌氧发酵处理3种处置方式[4]。相较于其他两种方式，厌氧发酵处理不仅能够解决环境污染，还可以产生可再生能源，缓解能源危机，具有良好的环境效益和经济效益。厌氧发酵是一个复杂的生化过程，具有反应条件温和、耗能小等优点，被认为是最具有发展前景的粪污处理技术之一[5]。

粪污中存在的抗生素势必会对厌氧发酵处理粪污废弃物的过程和效率产生一定影响，且发酵后的沼肥沼液还田也会对土壤造成污染[6]。早在2000年就有学者提出，利用含有抗生素的猪粪进行低温厌氧发酵，会导致甲烷产量减少[7]。Alvarez JA的研究表明，当土霉素和金霉素的浓度为10～100mg/L时，会对猪粪中温厌氧发酵产生抑制作用，使得甲烷产量减少56%～62%[8]。文献[9]，[10]发现，在牛粪中温发酵过程中，随着OTC添加量的增加，甲烷产量逐渐减少，当OTC的添加量为80mg/L时，甲烷产量相较于20mg/L时下降了60.5%。有研究表明，当金霉素浓度低于80mg/L时，不会对厌氧发酵的沼气产量产生抑制；当土霉素浓度为0～1 000mg/kg时，有利于厌氧发酵产生甲烷[11]，[12]。

本研究以猪粪为发酵原料进行批量试验，探究OTC浓度对猪粪厌氧发酵过程和产气特性的影响，通过测量甲烷产量，明确OTC浓度对厌氧发酵的促进/抑制作用，为实际沼气工程中利用含OTC粪便进行沼气生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

猪粪取自云南省曲靖市红石庄园养猪场，接种物为云南省农村能源工程重点实验室的以猪粪为原料的UASB厌氧消化反应器稳定运行一年以上驯化的活性污泥，接种物在厌氧条件下完全不产气，土霉素购于合肥中龙神力动物药业有限公司。猪粪的总固体（TS）和挥发性固体（VS）含量分别为31.11 %和74.60 %，接种物的TS和VS含量分别为10.91 %和46.98 %。

1.2 实验设计

实验采用批量发酵工艺，发酵温度为30±1℃。实验采用排水集气法，装置由发酵瓶、集气瓶和排水瓶（容积均为500mL）用橡胶塞和导管连接而成。本实验共分为6组，各组接种物加入量为有效发酵体积的30%，猪粪加入量为60 g，土霉素加入量分别为0，40，80，100，300，500mg/kg，分别记为A，B，C，D，E，F组，加水至有效发酵体积为400mL。在同等条件下，每组各设置3个平行。

1.3 分析方法

1.3.1 总固体含量

将接种物与原料放入烘干箱，采用标准灼烧恒重法测定。

1.3.2 挥发性固体含量

将接种物与原料放入马弗炉，采用标准灼烧恒重法测定。

1.3.3 日产气量

每隔24 h以3个平行实验组的平均值作为日产气量。

1.3.4 甲烷含量

采用福立GC9790 II型气相色谱仪测定甲烷含量，色谱条件：气化室温度为80℃，柱箱温度为80℃，TCD温度为120℃，载气为氮气，流速为40为mL/min。

1.3.5 产甲烷动力学

采用修正的Gompertz模型对厌氧发酵产甲烷进行动力学分析，修正的Gompertz模型的表达式为式中：H为累计产甲烷量，mL；Hmax为最大累计产甲烷量，mL；Rmax为最大产甲烷速率，mL/d；e为自然常数2.718 281 828；λ为产甲烷延迟期，d；t为发酵时间，d。

1.3.6 数据分析

采用Excel 2013和OriginPro 2018进行数据处理、图表绘制和方差分析（显著水平为0.05）。

2 结果与分析

2.1 日产气量

OTC浓度对猪粪厌氧发酵日产气量和日产甲烷量的影响如图1所示。

图1 OTC浓度对日产气量和日产甲烷量的影响Fig.1 Effect of OTC concentration on daily biogas yield and dailymethane yield

由图1可以看出，各实验组的日产气量和日产甲烷量的变化规律基本相同，均表现为前3 d的产气量较低，在第5天左右出现第一个产气高峰，在此高峰期，所有实验组的甲烷含量均较低，而CO2含量相对较高，可能是因为在厌氧发酵初期，产氢产乙酸菌比产甲烷菌的生长繁殖速度要快，导致CO2的产生速率高于其消耗速率。在第13天左右出现第二个产气高峰，此时A～F组的日产气量分别为577，536，491，508，477，477mL；在第23天左右，A，B，C，D组达到第3个产气高峰，而E，F组的日产气量分别下降至139，134mL；所有实验组均在第27天左右达到最后一个产气高峰，之后各实验组的日产气量和日产甲烷量均开始逐渐下降，直至产气结束。出现上述现象的原因是OTC会通过抑制肽的生长和蛋白质的合成而对革兰氏阴性菌产生抑制效应，最终导致细菌死亡，而产甲烷菌中就有革兰氏阴性菌，但在该浓度区间内（OTC浓度为300～500mg/kg）产甲烷菌尚未全部衰亡，系统仍可以实现自我修复[13]。由此分析可以得出，OTC浓度的增加会对猪粪厌氧发酵产生抑制作用，且随着OTC浓度的增加抑制作用逐渐增强。

2.2 累计产气量

OTC浓度对厌氧发酵累计产气量和累计产甲烷量的影响如图2所示。

图2 OTC浓度对累计产气量和累计产甲烷量的影响Fig.2 Effectof OTC concentration on cumulative biogas yield and cumulativemethane yield

由图2可以看出：各实验组的累计产气量和累计产甲烷量呈现出相同的变化趋势；在前3 d内，厌氧发酵处于启动阶段，累计产气量和累计甲烷产量处于较低水平；在第4～40天，厌氧发酵处于稳定运行阶段，累计产气量和累计产甲烷量增长迅速；在第40～45天，厌氧发酵处于结束阶段，累计产气量和累计产甲烷量基本趋于稳定，增幅较小趋近于0。通过差异性分析发现：与A组相比，各实验组的累计产气量和累计甲烷产量均呈现显著性差异（P＜0.05），这说明OTC的引入抑制了产甲烷菌的蛋白合成，在一定程度上降低了产甲烷菌的数量，从而导致累计产气量和累计产甲烷量的减少；整个发酵阶段基本符合厌氧发酵规律，A～F组的平均甲烷含量分别为53.4 %，52.1 %，51.9 %，51.3 %，51.4 %和51.0 %。

3 讨论

3.1 产气潜力分析

厌氧发酵的产气潜力分析见表1。由表1可知，A，B，C，D，E，F组的累计产甲烷量分别为5241，5 049，4 788，4 767，4 740，4 454mL，最大比产甲烷速率分别为87.4 ，84.2 ，79.8 ，79.5 ，79.0 ，74.2mL/g，抑制率随着OTC浓度的增加而逐渐增大，当OTC浓度为500mg/kg时，OTC的抑制效果最明显，抑制率为15.02%。Yin FB也得出了相似的结论，即当OTC浓度为500mg/kg时，抑制率达到了22.1 %[11]。Ke X在牛粪中添加不同浓度OTC并进行中温厌氧发酵，实验结果表明，当OTC的浓度分别为12.5 ，37.5 ，75mg/L时，沼气产量分别减少了32%，40%，49%[9]。WeiM利用OTC驯化过的接种物进行猪粪厌氧发酵，实验结果表明：当OTC的浓度为0～1 000mg/kg时，OTC会不同程度地促进厌氧发酵产生甲烷[12]。出现不同结果的原因可能是实验所采取的工艺方法、原料性质、发酵料液配比以及接种物等之间的差异。结合表1中的数据，通过数据回归分析可知，当OTC浓度为0～100mg/kg时，OTC浓度（x）与抑制率（y）呈现线性关系，拟合方程为y=0.096 3x+0.041 （R2=0.9776）。因此，当OTC浓度为0～100mg/kg时，OTC浓度对厌氧消化的抑制率可以通过统计分析来估算。

表1 厌氧发酵的产气潜力分析Table 1 Analysis of gas production potential of anaerobic fermentation

3.2 产甲烷动力学分析

采用Gompertz模型对各试验组进行拟合分析，得出的相关系数R2、最大累计产甲烷量Hmax、最大产甲烷速率Rmax以及产甲烷延迟期λ如表2所示。

表2 修正后的Gompertz模型参数Table 2Modified Gompertzmodel parameters

由表2可以看出，6组实验的Gompertz模型拟合相关系数R2均大于0.99 ，表明该方程适用于所有实验组的厌氧发酵产甲烷过程。结合图2和表2可知：各实验组的的累计产甲烷量分别为最大累计产甲烷量的89.2 %，89.4 %，89.0 %，89.6 %，86.6 %和86.7 %，二者基本一致；随着OTC浓度的增加，最大产甲烷速率呈现递减趋势，可能是因为OTC浓度的增加对产甲烷菌的生长繁殖起到了抑制作用，这与王玲的研究结果相一致[14]；当OTC浓度较低时（≤100mg/kg），产甲烷延迟期随着OTC浓度的增加而逐渐变长，但是，当OTC浓度为500mg/kg时，产甲烷延迟期却比A组缩短了0.55 d，这可能是因为当OTC浓度为100mg/kg左右时，厌氧发酵系统中的蛋白质分解菌、产氢产乙酸菌等产生较大抑制作用，导致水解阶段和产氢产乙酸阶段产生限速，而对产甲烷阶段抑制作用较小，因此延迟了产甲烷阶段的启动时间。