黄腐植酸对泥炭产甲烷的影响

王颖 李珺 马力通 曹晓冰

摘要：为研究泥炭自有成分黄腐植酸对泥炭产甲烷的影响，提升甲烷产量，在草本泥炭产甲烷发酵反应系统中分别加入0（CK）、5（T5）、10（T10）、50（T50）和100 mg·L-1（T100）黄腐植酸，分析为期43 d发酵反应过程中的总产气量、日产气量、还原糖含量、挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFA）含量和pH的变化规律。结果表明，CK处理的甲烷总产量为16.57 mL·g-1，T5、T10、T50、T100处理的总产气量分别为21.23、15.55、15.30、11.45 mL·g-1，其中T5处理的甲烷总产量最高，为CK的1.28倍。各发酵组均于第8或第9天达到产气峰值，其中T5处理在第9天达到1.81 mL·g-1的产气量最高峰，是CK处理的1.70倍。且添加黄腐植酸可促进还原糖和VFA降解，同时使发酵系统的pH更适于产甲烷菌生存。综上所述，泥炭自有成分腐植酸中可溶于水的黄腐植酸对泥炭产甲烷具有显著促进作用。

关键词：泥炭；生物甲烷；黄腐植酸；还原糖；挥发性脂肪酸doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0175

中图分类号：S216.2 文献标志码：A 文章编号：10080864（2023）01012806

泥炭覆盖了全球约180个国家的4亿多hm2土地，包含了全球30%的土壤碳。泥炭资源是沼泽地中植物残体经过漫长的生物地球化学过程形成和积累的有机矿产[12]。研究发现，泥炭会在自然条件下转化为甲烷，但产量较低，研究人员对此进行了相关研究。郝思雯等[3-4]研究发现，腐植酸降解产物苯甲醛可提高反应体系辅酶F420 水平，增加化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除率，促进泥炭生物甲烷转化；在泥炭发酵反应系统中加入CeCl3和YbCl3可提高产甲烷菌的活性，进而增加甲烷产率。Chen等[5]研究发现，泥炭与稻草共厌氧消化对甲烷的产率有提高作用。

泥炭化学组分中富含腐植酸，且腐植酸中含有黄腐植酸。黄腐植酸可溶于水，结构中富含活性基团[6]。目前，关于黄腐植酸对泥炭转化产甲烷影响的研究尚未见报道。因此，本文采用外源添加黄腐植酸的方式研究黄腐植酸对于泥炭甲烷化的影响，为研究泥炭甲烷化机理提供新思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料和仪器

1.1.1 试验材料 泥炭的总固体含量（totalsolids，TS）和挥发性固体含量（volatile solid，VS）分别为8.03%和4.07%；活性污泥的TS和VS含量分别为0.66%和0.38%。活性污泥经实验室厌氧驯化后置于4 ℃冰箱存放。试验试剂详见表1。

1.1.2 试验仪器 试验仪器包括SQR分析天平、HH-8数显恒温水浴锅、pHS-3C pH计、752N型紫外可见分光光度计、LD4-2A 型低速离心机、2500Y多功能粉碎机以及79-1磁力加热搅拌器。

1.2 试验设计

试验于500 mL发酵瓶中进行。取活性污泥200 mL、150目泥炭40 g，加H2O将其体积定容至400 mL，分别加入0（CK）、5（T5）、10（T10）、50（T50）和100 mg·L-1（T100）黄腐植酸（表2），初始pH 7.0；然后置于50 ℃水浴加热，在泥炭产甲烷发酵反应过程中定时震荡发酵瓶，使发酵充分。每天测定甲烷产量，每3 d取1次样，并对其进行还原糖和挥发性脂肪酸（volatile fatty acids， VFA）含量及pH 测定；发酵结束后计算总产气量。试验做5组，平行试验3次。

1.3 试验方法

使用pHS-3C pH计测定pH，采用比色测定法测定VFA 含量[7]，采用排水集气法测定日产气量[8]。还原糖含量采用紫外分光光度计在540 nm处进行检测[9]。

1.4 数据分析

用SPSS 26.0统计软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 黄腐植酸对泥炭产甲烷反应体系总产气量的影响

黄腐植酸对泥炭产甲烷的总产气量影响如图1 所示。CK 组的总产气量为16.57 mL·g-1；处理组随着发酵体系中黄腐植酸用量从5（T5）、10（T10）、50 mg·L-1（T50）增加到100 mg·L-1（T100），泥炭发酵组的甲烷总产气量分别为21.23、15.55、15.30、11.45 mL·g-1，其中T5 处理组较CK 显著提高28.05%。表明黄腐植酸对泥炭甲烷发酵体系反应有一定影响，且低水平黄腐植酸对甲烷产量的提高效果较好，随着黄腐植酸用量的增加，甲烷产量呈现降低趋势。

2.2 黄腐植酸对泥炭产甲烷反应体系日产气量的影响黄腐植酸影响泥炭甲烷的日产气量（图2）。在为期43 d的产甲烷过程中，所有发酵组的日产气量均为先升高至最大值，然后再降低到零，加入黄腐植酸对泥炭产甲烷有显著影响。发酵前7 d，黄腐植酸对于甲烷产量的作用较小；在第7到11天，黄腐植酸的作用逐渐显著，添加黄腐植酸发酵反应系统的甲烷日产量显著增加。其中，T5处理组在发酵第3到第10天及第30到36天的甲烷日产气量远高于CK，且在第9天达到的日产气量最高峰1.81 mL·g-1，是CK的1.7倍；发酵第15天后，T5处理组仍高于CK，但T100處理组的产气量均低于CK，表明高水平黄腐植酸在发酵后期对泥炭产甲烷有抑制作用。

2.3 黄腐植酸对泥炭产甲烷反应体系还原糖含量的影响

黄腐植酸对泥炭产甲烷反应体系中还原糖含量的影响如图3所示，黄腐植酸处理与CK的还原糖含量均呈现出波动上升的趋势，可能是由于泥炭中的纤维素被逐步降解为还原糖。其中，添加黄腐植酸的泥炭发酵处理组还原糖含量的峰值均低于CK。CK 在发酵第34天时还原糖含量达到峰值（0.34%）；T5处理组的还原糖峰值在发酵末期（第43天）出现，为0.21%。由此表明，添加黄腐植酸会促进泥炭纤维素降解为葡萄糖等还原糖，提高甲烷发酵体系中还原糖转化率，促进还原糖转化为VFA或者甲烷。

2.4 黃腐植酸对泥炭产甲烷反应体系VFA 含量的影响

由图4可知，T100处理组的VFA含量在发酵过程中无明显波动；CK和T5、T10、T50处理组在发酵初始VFA含量分别为0.90、0.82、0.74、0.79 g·L-1；发酵第9 天，其VFA 含量分别增加0.46、0.22、0.24、0.19 g·L-1，其中T5、T10、T50处理组VFA含量的增幅低于CK，表明处理组有更多的VFA被消耗转化为甲烷。T5、T10、T50于发酵第21、22天VFA含量最低，分别为0.75、0.74、0.67 g·L-1；于发酵第40天VFA 含量达到最大值，分别较最低值增加0.59、0.46、0.56 g·L-1，其中T5处理组的VFA含量增幅最大，表明T5处理组有更多的VFA转化为甲烷。

2.5 黄腐植酸对泥炭产甲烷反应体系pH 的影响

黄腐植酸对泥炭产甲烷过程中pH的影响如图5 所示。泥炭产甲烷发酵系统的初始pH 为7.0，随着发酵进程，有机质转化为VFA，pH下降，随后VFA又生成甲烷，pH又逐渐增加，最终pH为6.82～7.69。黄腐植酸处理组发酵反应系统的pH均低于CK，其中，CK 的pH 于发酵第4 天降至6.66，随后逐渐增加至7.69；T5处理组pH于发酵第4天降至6.53，随后逐渐增加至7.10。不同处理的pH最大值存在差异，表明泥炭产甲烷的过程是许多微生物菌种共同作用的结果。

2.6 不同化合物对泥炭产甲烷的影响

不同化合物对泥炭产甲烷的影响如表3 所示。研究发现，添加3.00×103 mg·L-1 苯甲醛的甲烷产量为3.00×103 μmol·L-1·d-1，是未添加苯甲醛产量的2.11倍；分别添加200 mg·L-1 CeCl3 和200mg·L-1 YbCl3 时，甲烷产量分别为1.15×103和1.10×103 μmol·L-1·d-1，分别为对照的1.21 和1.16倍[4]。本研究中加入5 mg·L-1 黄腐植酸时的甲烷产量为2.20×103 μmol·L-1·d-1，是未添加黄腐植酸的1.28倍。

2.7 技术经济分析

添加营养物质可以提高生物产量，但会增加生产成本。因此，需要进行技术经济分析，以评估添加营养物质的可行性。在本研究的基础上，对1 t泥炭的厌氧发酵工艺进行经济分析，如表4所示。每吨泥炭添加价值10元黄腐植酸可以使甲烷增加12.12元利润，因此，添加黄腐植酸产甲烷的净利润为2.12元。由此表明，将黄腐植酸应用于泥炭产甲烷有着非常好的经济前景。

3 讨论

添加黄腐植酸对泥炭产甲烷量影响显著。添加低水平黄腐植酸，黄腐植酸的小分子物质可以通过微生物细胞的细胞膜，引起电子转移，从而提高产甲烷酶活性，增加甲烷产量[10-13]；但随着黄腐植酸用量的增加，甲烷产量呈现降低趋势，可能是由于在高水平黄腐植酸下，由于黄腐植酸的饱和，它们对微生物细胞内电子转移的贡献不再随用量的增加而增加；且在细胞外水解酶和微生物细胞与大量的黄腐植酸结合，从而造成酶与细胞失活[14]。

本研究表明，添加少量黄腐植酸可提高甲烷日产量峰值，可能是由于少量的黄腐植酸可提高产甲烷菌活性[7]；黄腐植酸中的脂肪族化合物、酰胺和碳水化合物也可作为碳源，增加反应体系碳含量，黄腐植酸也可作为多环芳烃的载体，为微生物提供更多的多环芳烃通量，进而促进甲烷的产生；而高水平黄腐植酸会抑制甲烷产量，可能是因为高水平黄腐植酸抑制了发酵系统中的微生物活性。黄腐植酸作为末端电子受体，可接受来自醋酸盐的电子；且能够抑制辅酶F420的活性，从而影响甲烷产量[15]。T10、T50、T100 处理组在发酵后期的日产气量明显低于空白对照，可能是由于黄腐植酸在发酵过程中可降解为CO2，而CO2溶于水生成酸性物质，使得发酵系统的pH降低，导致产甲烷菌活性降低[16]。

本研究发现，发酵反应体系中黄腐植酸水平越高，还原糖含量越低，可能是由于黄腐植酸促使泥炭降解产生了较多的中间产物，使得还原糖含量随黄腐植酸用量的增加逐渐降低。T5与T10、T50处理组在发酵24 d后变化相似，可能是由于T5 处理组还原糖的降解速率较快，而T10、T50 处理组在发酵后期还原糖降解速率降低，使得还原糖积累，这与发酵后期的日产气量较低一致。T100处理组的还原糖含量无明显增加，可能是由于过量的黄腐植酸降低了水解酶活性，使得纤维素难以水解为还原糖，导致甲烷产量更低。

在发酵系统中VFA 含量是系统稳定性的表征指标[17]，其含量的高低可用来评价添加物对甲烷发酵的影响。在泥炭产甲烷过程中，有机质分解生成VFA，VFA 转变成乙酸、H2，最终生成甲烷[18]。添加少量黄腐植酸使VFA含量降低，其反应pH更适宜产甲烷菌生存，从而提高产甲烷菌活性，提高甲烷产量[19]。微生物活性受pH影响，增加黄腐植酸用量会降低发酵反应体系pH，而较低的pH会抑制产甲烷菌活性，因此高水平黄腐植酸会降低甲烷产量。

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（责任编辑：张冬玲）