王　志　许　樱　陈　雄　廖文谈　王金华　李冬生

摘要酿醋废水接种活性污泥后在厌氧、37℃和120rpm条件下进行批培养,添加α-酮戊二酸盐(终浓度0.2g/L)促进甲烷菌的三羧酸循环碳代谢和胞内的镍同化作用,使同化镍含量比对照提高53.2%,这反映了以镍为中心离子的F430的合成和以F430为辅酶的甲基CoM还原酶活性得到增强,并最终从产气效率上反映出来,其添加α-酮戊二酸盐(终浓度0.2g/L)挥发性乙酸盐残留量比对照减少27.3%,而沼气总产量、TS和YP/V以及qp分别比对照提高了23.0%、11.1%、20.1%和10.7%,说明厌氧体系中添加α-酮戊二酸盐可以促进食醋废水中的乙酸底物代谢流向终产物甲烷而非仅用于菌群繁殖,α-酮戊二酸盐是通过提高菌群的甲烷合成能力来提高产气,而非仅通过促进菌群生长的群体优势。

关键词α-酮戊二酸盐;厌氧发酵;沼气;代谢

中图分类号X797文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)15-0280-02

Effectofα-ketoglutarateonAnaerobicBatchMethaneFermentationofVinegarBrewingWastewater

WANG Zhi 1,2,3XU Ying1,2,3 CHEN Xiong 1,2,3LIAO Wen-tan1,2,3 WANG Jin-hua1,2,3 *LI Dong-sheng1,2,3

(1 College of Bioengineering,Hubei University of Technology,Wuhan Hubei 430068; 2 Key Laboratory of Fermentation Engineering(Minister of Education); 3 Hubei Provincial Key Laboratory of Industrial Microbiology)

AbstractThe effect of α-ketoglutarate on anaerobic batch methane fermentation of vinegar brewing wastewater was investigated at 37℃ and 120rpm. The results showed that α-ketoglutarate addition of 0.2g/L facilitated carbon metabolism of TCA cycle and assimilatory Ni in methan-ogenesis,thus enhancing assimilatory Ni concentration that was 53.2% higher than control,which reflected the improvements of F430 biosynthesis with Ni as central metal ion,and suggested the enhancement of methylreductase with coenzyme of F430. The 27.3% lower residually volatile acetate,the 23%、11.1%、20.1% and 10.7% higher biogas,TS,YP/V and qp suggested anaerobic vinegar brewing wastewater fermentation with α-ketoglutarate addition facilitated biogas production not only by increasing microorganism amounts,but also by enhancing the ability of methanogens to biosynthesize methane.

Key wordsα-ketoglutarate;anaerobic fermentation;biogas;metabolism

食醋酿造生产过程中产生大量高浓度有机废水,其有机物和悬浮物含量高[1],排放会导致受纳水体富营养化。国内处理废水的工艺主要包括厌氧水解-好氧处理方式以及活性污泥污水处理[2]。由于以乙酸为底物所形成的甲烷约占总量的60%[3],因而用酿醋废水厌氧发酵产沼气有其潜在的应用价值和环保价值。厌氧发酵产沼气过程是产甲烷菌利用底物水解和产酸阶段所生成的乙酸等简单底物合成CH4等混合气的过程[4],包括不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质以及适宜的氧化还原电位条件,产甲烷细菌又为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制等[5]。因此,能够影响混合菌群代谢活性以及改变其代谢状态的因素会对产甲烷菌的活性和产气效率产生显著影响[6]。现主要考察α-酮戊二酸盐对酿醋废水厌氧发酵的影响,并由此探讨厌氧菌群的代谢反应以及提高产气率、降低运行成本的有效模式。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1发酵培养基配方。酿醋废水为自配水,配方为:NH4Cl 1.0g/L,MgCl2 1.0g/L,KH2PO4 0.4g/L,Yeast extract 1.0 g/L,Peptone 2.0g/L,Na2S 0.2g/L,CH3COONa 5.0g/L,微量元素液10mL。微量元素终浓度为:FeCl2 0.9g/L,H3BO3 0.06g/L,ZnCl2 0.07g/L,CuCl2 0.01g/L,MnCl2 0.06g/L,CoCl2·6H2O 0.12 g/L,NiCl2·6H2O 4.8g/L,Na2SeO3 0.02g/L,Na2WO4 0.03 g/L,Na2MoO4·2H2O0.025g/L。

1.1.2接种物。活性污泥采自黄石柠檬酸厂污水处理车间。

1.1.3试验装置。采用橡皮塞封口的250mL抽滤瓶作为反应器,上口连接硅胶管进入集气系统,在(37±1)℃的恒温摇床进行批次发酵。

1.2试验方法

1.2.1发酵体系装配。配制培养基150mL,接种30mL,接种污泥液后,体系pH值调至7.0,并用氮气(纯度为99.9%,并经除氧铜柱除氧)进行体系气体置换15min,橡胶塞密封后放入恒温摇床培养,出气管固定于15% NaOH水溶液置换瓶。摇床转速120rpm。

1.2.2分析检测方法。①产沼气量检测。采用水压法收集发酵产生的气体,根据排出15% NaOH溶液的体积定时记录各套装置的产气量。②发酵液pH值及挥发性脂肪酸检测。定时取样后立即用pH计测定pH值。挥发性脂肪酸(VFA)的检测参照文献[7]进行。③总固形物(TS)含量及钴含量检测。TS含量:样品8 000rpm离心15min,超纯水充分洗涤,重复3次,置于105℃烘箱至恒重。TS用超纯水充分洗涤,镍浓度采用原子吸收光谱法检测,方法参照文献[8]进行。

2结果与分析

2.1α-酮戊二酸盐对酿醋废水厌氧发酵产气的影响

不同α-酮戊二酸盐添加量对厌氧培养96h的最终产气量的影响如图1所示。由图1可知:产气量随其添加浓度的增加而提高,0.2g/L添加量产气最高,比对照提高23.0%,但是当添加量继续增大(如0.3g/L)时,产气量下降,比0.2g/L添加量减少15.2%。因此,发酵结束后,对对照组和0.2g/L添加组样品进行了检测,以进一步研究α-酮戊二酸盐对酿醋废水厌氧发酵产沼气影响的机理。发酵指标如表1所示。

由表1可知:添加α-酮戊二酸盐(试验组)厌氧发酵96 h的TS比对照提高了11.1%。说明α-酮戊二酸盐的添加促进了厌氧菌群的生长。酿醋废水中的乙酸可以作为底物被厌氧菌群用于繁殖和合成CH4,其残留量(试验组)为0.24g/L,比对照减少27.3%,这也反映出更多的乙酸盐底物被菌群利用,并引起pH值的提高,发酵结束时,比对照提高了4%。初步判断添加α-酮戊二酸盐可以促进VFA向固形物质(TS)和沼气的转化。乙酸盐底物转化效率的得率系数YP/V是484mL/g(试验组),比对照提高了20.1%。沼气的比生成速率qp说明单位菌群的沼气合成能力,试验组为7.04mL/g·h,比对照增加了10.7%,说明高产气效率是通过提高菌群的甲烷合成能力来提高,而非仅通过促进菌群生长的群体优势。

从代谢的角度分析,甲烷菌具有特殊的代谢网络,如:不完整的三羧酸循环代谢途径[9]。甲烷菌具有运输四碳、六碳二羧酸等有机物进入细胞的转运蛋白[10]。因此,外源α-酮戊二酸盐可能参与三羧酸循环代谢,经代谢生成更多的琥珀酰CoA,而该物质是F430从头合成的前体物质之一[11]。甲烷合成最后一步是在甲基辅酶M 还原酶的催化下最终形成甲烷。而F430是甲基辅酶M还原酶的辅酶[12]。且F430是含镍的四吡咯衍生物[8],镍的充分供给与同化是甲烷高效合成必需的条件[13]。此外,对于严格厌氧发酵而言,电子需要在镍铁硫电子载体的参与下,把电子传递给产甲烷过程中需要电子还原的反应[14]。因而厌氧体系中同化于厌氧菌群的镍可以反映出甲基辅酶M还原酶的活性以及甲烷合成效率。

2.2α-酮戊二酸盐对酿醋废水厌氧发酵体系镍同化的影响

由图2可知,添加α-酮戊二酸盐使体系同化的镍含量为113.6μg(Ni)/g(TS),比对照提高了53.2%。说明其促进了三羧酸循环的碳代谢,提高了细胞对镍的需求和甲烷菌群胞内的镍同化作用,促进了F430的合成以及甲烷合成电子传递效率和甲基辅酶M还原酶的活性,并最终从产气效率(YP/V、qp)上反映出来。

3结论

试验结果表明,外源α-酮戊二酸盐促进酿醋废水厌氧发酵产沼气,以0.2g/L添加量产气最高,比对照提高23.0%,TS比对照提高了11.1%,而挥发性乙酸盐残留量比对照减少27.3%,说明α-酮戊二酸盐添加促进厌氧体系总固形物TS增加,促进挥发性脂肪酸VFA向固形物质(TS)和沼气的转化。α-酮戊二酸盐的存在使YP/V和qp分别比对照提高20.1%和10.7%,说明高产气效率是通过提高菌群的甲烷合成能力来提高,而非仅通过促进菌群生长的群体优势。添加α-酮戊二酸盐后,促进甲烷菌三羧酸循环的碳代谢,促进了甲烷菌群胞内的镍同化作用,使同化镍含量相对于对照提升了53.2%,并最终从产气效率上反映出来。

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