微量元素在厌氧发酵系统中的生物效应

微量元素在厌氧发酵系统中的生物效应

0微量元素技术厌氧发酵技术可以有效处理有机废物，并生成清洁能源。厌氧发酵的效率及运行稳定性受到多个因素的影响,其中微量元素不足可能会导致有机物降解不完全、系统运行不稳定等。微量元素除参与合成厌氧微生物外,还参与合成和激活厌氧发酵产甲烷过程中的多种酶系统。美国著名的厌氧生物技术学家Speece指出,对厌氧发酵过程中微量元素需求认识的不足,已经阻碍了厌氧生物技术的应用和发展;同时Demirel也进一步指出微量元素对维持沼气工程的高效稳定运行具有重要作用。在正常操作条件下,沼气工程运行不稳定,微量元素含量的缺乏及其生物有效性的降低是首要的考虑因素。微量元素Fe、Ni、Co、Zn、Mo、Cu等在废水厌氧处理过程中的促进和抑制作用得到了广泛关注,如食品加工厂废水、酿酒厂废水废渣、屠宰场废水和高硫酸盐有机废水等;但微量元素在高固体有机废弃物(如畜禽粪便,餐厨废弃物等)厌氧消化处理中的应用近几年才得到重视,且对于微量元素的应用效果缺乏全面的信息汇总和梳理。因此本文拟对微量元素Fe、Co、Ni等在厌氧发酵酶系统中的作用,产甲烷菌对微量元素的需求量及微量元素在厌氧消化过程中的应用现状进行了综述,旨在为保证高固体有机废弃物厌氧消化长期稳定运行提供科学的参考依据。1例如，钠对厌氧过程的调节1.1微量元素的调控微量元素是指在有机体中存在量很少,但对有机体的生化反应有重要作用的元素。微量元素在厌氧发酵过程中的促进或抑制效应一直是科研人员所关注的问题。厌氧发酵中的微生物生长繁殖除了C、N、P和S等营养元素外,微量元素也是生命所必不可少的营养。微量元素对厌氧发酵的重要性主要体现在其常常作为辅酶、辅基、辅因子的成分出现在厌氧发酵微生物的酶系统中,并且对厌氧发酵的产甲烷阶段起着重要调控作用。表1列出了厌氧发酵微生物中的微量元素及其功能。由表1可以看出,铁、钴、镍、铜、锌、硒、钼和钨都是多种产甲烷菌及多种酶系统的重要组成成分,且铁、铜和钼元素又是硝酸盐、亚硝酸盐还原酶的组成成分,这有利于氨氮的氧化,这可能是微量元素促进厌氧消化产甲烷过程和拮抗高氨氮毒害作用的原因。1.2调整后的产甲烷菌代谢特性产甲烷阶段是厌氧发酵过程中的最后环节,产甲烷菌的代谢强度决定着产甲烷效率。产甲烷菌的物质代谢和能量代谢都需要微量元素的参与,如微量元素Fe参与产甲烷菌体内细胞色素、细胞氧化酶的合成,还是胞内氧化还原反应的电子载体。产甲烷菌生长所需要的微量元素的量非常少,但微量元素的缺乏却能够导致生物活力下降,进而影响整个厌氧反应器的运行效果和稳定性。一方面,一些产甲烷菌的纯培养试验研究发现多种微量元素能够激活增强产甲烷菌的代谢强度(表2)[4,34,35,36,37,38,39,40,41],从表2中可以看出这些产甲烷菌对Fe、Co、Ni都有一定的需求,且各个微量元素对不同产甲烷菌的刺激代谢需求量在不同纯培养条件下差异较大。另一方面,为探讨微量元素对产甲烷菌的生长代谢需求,学者们进一步研究了产甲烷菌细胞中微量元素的组成成分,如Scherer等测定了10种产甲烷菌细胞中的微量元素含量,研究显示产甲烷菌细胞中微量元素含量的顺序为Fe>Zn≥Ni>Co=Mo>Cu,同时Speece等指出不同种类的产甲烷菌细胞的元素组成有所不同,即使同种产甲烷菌在不同的环境条件下微量元素的含量和需求也有所不同。Speece还特别指出,以Fe、Co、Ni为序,只有当前一营养元素足够时,后面一个才能对甲烷菌的生长起激活作用。表3列出了不同学者测定的产甲烷菌细胞的元素组成,但结果与Scherer等给出的结果在镍和锌的含量浓度上存在差异,这可能与不同学者所测定的产甲烷菌的生长环境不同有关。1.3甲基氧化酶还原酶催化的甲烷合成产甲烷菌通过甲烷的生物合成形成维持细胞生存所需的能量。甲烷生物合成过程中,甲烷的形成伴随着细胞膜内外化学梯度的形成,这种化学梯度驱动酶产生细胞内能量通货—三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate,ATP)。目前,发现的甲烷生物合成过程有3种途径,如图1所示。第1种途径为以乙酸为原料的甲烷生物合成,第2种为以H2、CO2为原料的甲烷生物合成,第3种是以甲基化合物为原料的甲烷生物合成过程,如:甲醇、甲基胺、甲基硫等;3种途径最终都形成甲基辅酶,甲基辅酶在甲基辅酶还原酶催化下最终形成甲烷。其中3种途径中,以乙酸为底物的甲烷合成占自然界甲烷合成的70%左右,以H2、CO2为底物合成的甲烷约占总量的30%,而以甲基化合物合成的甲烷量很少。在甲烷合成的途径中,涉及多种酶、辅酶的催化作用,这些酶、辅酶大都含有Fe、Co、Ni、Zn、Mo、W等金属元素。催化甲基辅酶合成甲烷的甲基辅酶还原酶含有辅因子F430,而Diekert等发现,F430是一种包含Ni的低分子量的生物物质。甲烷生物合成中的辅酶M甲基转移酶是一种含Co的金属酶;催化以乙酸为底物合成甲烷的关键酶为一氧化碳脱氢酶(carbonmonoxidedehydrogenase,CODH),一氧化碳脱氢酶分为2大类:存在于需氧微生物中的Mo-Fe-黄素酶类和存在于厌氧微生物中的Ni-Fe酶类,因此,CODH在厌氧和好氧2种条件下都能起到一定的催化作用,在这2类金属酶中,位于活性位点起关键作用的金属分别是Mo和Ni。由此可见,CODH是一个含有Fe、Co、Ni、Mo的金属酶,CODH除催化乙酸合成甲烷外,也能够催化同型产乙酸菌利用H2和CO2合成乙酸的反应。催化CO2合成甲烷的甲酰基甲基呋喃脱氢酶、氢化酶分别是含Mo和Fe/Ni的金属酶,除甲烷的生物合成中的酶系统需要微量元素外,产甲烷菌中还含有许多由Fe2+、Co2+等金属离子组成的供无机物进入细胞的离子通道。2厌氧发酵过程中微量元素的应用研究国外学者早在20世纪70年代意识到了微量元素对产甲烷菌的重要作用,并在之后的几十年中围绕对产甲烷菌有激活作用的Fe、Co、Ni等微量元素在厌氧消化中的应用进行了较为深入的研究。相比之下,国内对微量元素在厌氧发酵中的重要性认识较晚,针对微量元素对厌氧发酵影响的应用研究也相对较少。针对不同元素在厌氧发酵中的作用,国内外学者研究了单一微量元素(Fe、Co、Ni等)在厌氧发酵的应用效果;同时为提高沼气工程的利用效率,国内外学者近几年研究了多元素组合在厌氧发酵中的协同促进作用,最新研究表明,微量元素能在一定程度上维持厌氧发酵系统在较高有机负荷条件下长期稳定运行。2.1单一元素促进氧气消化2.1.1fe元素的添加对发酵系统的影响Fe元素是产甲烷菌生长所必须的元素之一,其对厌氧发酵的影响得到了广泛的关注。在利用上流式厌氧污泥床反应器(up-flowanaerobicsludgebed,UASB)处理有机废水的研究中添加适量的Fe元素,显著提高了反应器的有机负荷(organicloadingrate,OLR)承载力,反应器中颗粒污泥的形成速率、污泥的沉降速率和颗粒污泥的产甲烷活性。除此之外,Fe元素对高固体有机废弃物厌氧消化的作用也不容忽视(表4),Preeti等的批式试验研究表明,以牛粪为原料,添加Fe元素为1120和2800mg/L,使发酵系统产气高峰分别提前了4和6d;同样地,以鸡粪为原料的研究结果表明添加1120和2800mg/LFe使发酵系统产气高峰分别提前了6和9d,说明添加Fe元素在一定程度上加快了厌氧消化速率,降低了物料厌氧消化的水力停留时间(hydrolyticretentiontime,HRT)。Raju和Schmidt等分别在以芒果加工废弃物和麻疯树加工废弃物为原料的厌氧消化系统中,通过添加适量Fe元素提高了消化系统的有机负荷和运行稳定性。Fe元素的添加能显著提高消化系统的消化性能和甲烷产率,主要是因为Fe的补充促进了挥发性脂肪酸的产生和提高了甲烷菌对乙酸的利用率,同时反应基质中有硫酸盐存在时,添加Fe能够消除由硫酸盐还原引起的硫化物对产甲烷菌的抑制作用。从表4可进一步看出,不同物料及不同发酵工艺条件下,厌氧消化系统对Fe元素的需求量也不同;Preeti等的研究表明,在一定范围内Fe浓度越高,对厌氧消化的促进作用越显著;这与Zubair等以油脂废水为原料的研究结果相一致。在处理高硫化物含量的甘蔗酒精釜馏物的反应器中,为维持反应器的稳定运行,只有不断添加Fe的化合物使Fe的浓度维持在600mg/L,这可能是由于硫化物、磷酸盐等的存在改变了Fe元素在厌氧发酵系统中的存在形态而进一步影响了Fe元素的生物有效性。因此进一步探讨Fe元素在以不同底物的厌氧发酵中的添加量及生物有效性具有重要意义。2.1.2co与丝氨酸合物微量元素Co的存在能够促进酶的合成或激活在生化反应中起催化作用的酶。相反,Co元素的缺乏不仅对微生物的生长不利,而且会影响细菌的活力,并影响整个反应器的运行效果和稳定性。Co在厌氧消化中的作用近几年得到了广泛研究,如在高温(55℃)上流式厌氧污泥床反应器(up-flowanaerobicsludgebed,UASB)处理甲醇废水的厌氧消化系统中去除元素Co引起了产乙酸菌活性的降低,然而补加29.5μg/LCo后又恢复了产乙酸菌的活性;通过添加Co元素能使中温(30±2)℃UASB甲醇厌氧消化系统在8000mgCOD/(L·d)的高有机负荷下稳定运行,且化学需氧量(chemicaloxygendemand,COD)去除率可达87%。Jin等以乙酸钠为碳源,研究了Co2+及其螯合物(丝氨酸、赖氨酸和半胱氨酸)对乙酸发酵产甲烷的影响。结果表明当Co2+添加质量浓度分别为0.06、0.58和5.8μg/L时,甲烷产量分别增加了12.8%、40.4%和39.6%;当Co2+浓度超过0.58μg/L时并不能进一步能促进产甲烷过程的进行,这可能是由于Co2+的生物有效性受到了限制,因此在厌氧反应器中维持微量元素的生物有效性是十分重要的。化学配合作用可以保持微量元素的溶解状态,鉴于此,Jin等进一步研究了3种氨基酸类螯合剂(丝氨酸、赖氨酸和半胱氨酸)对Co2+生物有效性的影响,发现在0.58μg/LCo2+的条件下分别补充1μmol/L丝氨酸、赖氨酸和半胱氨酸,甲烷产量分别提高了50.1%、45.6%和14.7%;与Jin等的研究结果相一致的是在0.06μg/LCo2+的条件下添加2μmol/L丝氨酸使得甲烷产率提高了60%,辅酶F420和辅酶M的活性单位分别提高了37.6%和10.4%。。虽然Co元素是厌氧发酵过程必不可少的微量元素之一,但当Co2+质量浓度达到770μg/L时,产甲烷菌的活性会降低一半。2.1.3其他非生物有效性的努力目前已有多篇文献报道了Ni元素对产甲烷菌、辅因子、辅酶M以及Ni元素对维持厌氧消化过程稳定运行的重要作用。Williams等研究了Ni对鸡粪厌氧发酵的影响,当鸡粪沼液中Ni浓度为253μmol/L时,继续添加10μmol/LNiCl2依然明显提高了沼气的产气量但对甲烷浓度无明显影响。这可能是因为鸡粪中的Ni以沉淀或其他非生物有效态的形式存在。Ni元素的添加能够提高牛粪厌氧发酵的总产气量和甲烷浓度也得到了证实。Pobeheim等研究了人工配置微量元素溶液对青贮玉米中温厌氧发酵的影响,结果表明在配置的微量元素溶液中去除Ni导致发酵系统运行不稳定和沼气产气量下降18%。在以乙酸为碳源的发酵系统中,添加2mmol/LNi使甲烷产量提高了66.5%。同其他微量元素一样,为保持Ni元素在厌氧消化过程中的生物有效性,胡庆昊等研究了柠檬酸(citricacid,CA)、氨三乙酸(nitrilotriaceticacid,NTA)和乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraaceticacid,EDTA)3种螯合剂对Ni元素生物有效性的影响,添加10μmol/L3种螯合剂,使Ni2+浓度分别提高了6.9、16.6和16.7倍。然而过高浓度的Ni2+反而会抑制产甲烷菌的活性,1.2mg/L的Ni2+使产甲烷过程受到严重抑制,最终乙酸产甲烷量下降了73.2%,与此研究相一致的是当Ni2+浓度超过1mg/L时,严重抑制了市政污泥厌氧消化的效率。2.1.4对微生物的影响除Fe、Co、Ni等微量元素外,一些文献也报道了其他金属离子在厌氧消化中的应用效果。王永忠等研究了MgSO4对莴笋皮和马铃薯皮厌氧消化的影响,研究表明添加300和100mg/LMgSO4使莴笋皮和马铃薯皮沼气产量分别提高了71.4%和41.6%。在牛粪、水牛粪、骆驼粪和马粪的发酵系统中,添加150mg/LMg显著提高了沼气产气量,这与王永忠等的研究结果相符合。这可能是因为Mg2+改善了细菌的细胞通透性,促进了部分特殊水解酶的分泌,进而促进了厌氧消化效率。Sudha等研究了钼酸铵对牛粪厌氧消化的影响,通过添加1000mg/L的钼酸铵使沼气产量提高了42.3%。这可能是由于钼酸铵提高了产甲烷菌的活性以及调节了发酵液C/N比引起的。与Sudha等的研究不一致的是Pobeheim等在青贮玉米中温厌氧发酵系统中添加和去除Mo元素对厌氧消化系统的稳定性和产气量未引起明显变化。Ca是某些产甲烷菌生长的关键成分,对微生物聚集体(颗粒污泥和生物膜)的形成也很重要,因此在生物膜反应器中,当Ca2+质量浓度低于120mg/L时,Ca2+的加入能加速生物膜形成;当Ca2+质量浓度超过120mg/L时,矿物质累积和生物膜含水率的下降会抑制细胞的代谢。2.2其他微量元素的影响微量元素在促进微生物的新陈代谢中的作用往往并非孤立的,Speece指出对于Fe、Co、Ni、Mo、Se等元素而言,缺乏某一种元素,甲烷发酵仍会进行,但速率会降低;根据产甲烷菌对不同微量元素的营养需求顺序,当Co的含量不足时,Ni就不能表现激活作用;因此表明Fe、Co、Ni、Mo、Se等元素间的协同作用为维持高效的甲烷发酵有重要作用。国内外许多学者对Fe、Co、Ni等元素对厌氧发酵的协同效应也进行了研究(表5)。Fe、Co、Ni等元素对甲烷发酵的协同效应不仅表现在满足产甲烷菌的营养需求,Speece在工业废水厌氧消化技术的研究中也指出,Fe、Co、Ni的氯化物同时投加到反应器中可以促使反应器中甲烷菌向较为有利的优势菌种转移,即由甲烷丝菌占优势逐渐转变为甲烷八叠球菌占优势,后者的乙酸利用速率比前者高3~5倍,通过添加微量元素乙酸盐利用速率超过30g/(L·d),优势菌群的变化,提高了乙酸的利用率、甲烷产量和整个厌氧发酵系统的运行效率。Pobeheim等在以青贮玉米为原料的发酵系统中,同时添加Co和Ni,研究表明Ni的促进效果优于Co,而Lebuhn等以青贮玉米为发酵原料的试验研究结果表明Co元素是最重要的金属元素。农丽薇等进行了Ni和Co对稻草厌氧消化影响的研究,结果表明Co在抑制酸积累上的激活作用不如同浓度的Ni,结论与Pobeheim等的研究一致,即不同微量元素对某一发酵原料的作用效果可能不同。由表5可以看出,在不同底物厌氧消化系统中,各微量元素并非独自发挥特有的金属特性,不同微量元素之间存在协同促进效应。3微量元素的相互作用微量元素对维持沼气工程运行稳定性还体现在对毒性物质的拮抗作用上。McCarty报道发酵液中Na+质量浓度为3500~5000mg/L时,会对厌氧发酵系统产生中度抑制作用,当发酵液中Na+质量浓度为8000mg/L或者更高时,会产生强烈的抑制作用。李亚新以人工配置的高钠盐(10g/L)模拟废水为原料,研究了微量元素对Na+的拮抗作用,试验结果表明同时添加Fe、Co、Ni可以加快产甲烷菌对高Na+环境的适应,能缓解高Na+对产甲烷菌的抑制和毒害作用,维持厌氧发酵系统的稳定运行。McCarty报道发酵液中氨氮质量浓度为50~200mg/L时,对厌氧发酵有促进作用,1500~3000mg/L时,对厌氧发酵系统开始产生抑制作用,当发酵液中氨氮质量浓度超过3000mg/L时,会对厌氧发酵产生毒害抑制作用。李秀芬等在高废水处理工艺中通过添加微量元素消除了高氨氮对厌氧发酵的抑制作用,其对氨