2018-07-16
最近，派森諾生物(wu)再(zai)次(ci)與浙江大學合作(zuo)，在(zai)(zai)《Bioresource Technology》（影(ying)響(xiang)因子5.807）上發表文章，揭示磁性生物(wu)炭(tan)如(ru)何在(zai)(zai)厭氧消(xiao)化系統(tong)中影(ying)響(xiang)產甲(jia)烷菌。
1 研究背景
城市固(gu)體(ti)廢棄(qi)物（MSW）的(de)(de)(de)處理一(yi)直(zhi)都是各個國家(jia)面臨的(de)(de)(de)老大難問題，其中主要(yao)成分是有機組分（OFMSW），包含有大量的(de)(de)(de)容易發生(sheng)(sheng)生(sheng)(sheng)物降解的(de)(de)(de)材料。目前對于OFMSW的(de)(de)(de)處理，廣泛(fan)采用(yong)的(de)(de)(de)是厭氧消化系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)（以(yi)下簡(jian)稱(cheng)AD系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)）。但(dan)是該(gai)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)不僅甲烷(wan)產生(sheng)(sheng)率低，系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)也不穩定。之前有研究表明，在AD系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)中添加生(sheng)(sheng)物炭(tan)能夠提高(gao)甲烷(wan)的(de)(de)(de)產生(sheng)(sheng)。然(ran)而(er)，生(sheng)(sheng)物炭(tan)使(shi)用(yong)之后(hou)難以(yi)循環利用(yong)，導致(zhi)AD系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)成本過高(gao)。為了解決這個問題，便有了磁性生(sheng)(sheng)物炭(tan)的(de)(de)(de)引入。
磁(ci)性生物(wu)炭(tan)是由生物(wu)炭(tan)和磁(ci)性介質組成(cheng)。它(ta)不僅能夠(gou)很好的(de)解(jie)決生物(wu)炭(tan)循環(huan)使用的(de)問(wen)(wen)題(ti)，而(er)且(qie)還使產甲(jia)烷菌保存在(zai)反應(ying)器上，從而(er)解(jie)決了產甲(jia)烷菌在(zai)消化過程(cheng)中損失的(de)問(wen)(wen)題(ti)。同(tong)時(shi)，結晶的(de)磁(ci)性介質還可以作(zuo)為電子(zi)導管促進種間(jian)電子(zi)轉移以及(ji)促進協(xie)同(tong)分解(jie)代謝，進一步提高甲(jia)烷產量。因此磁(ci)性生物(wu)炭(tan)的(de)研究十(shi)分必要。
為了(le)更好的(de)(de)了(le)解(jie)磁性生(sheng)物(wu)(wu)(wu)炭在(zai)改善甲烷產量(liang)以及(ji)保存產甲烷菌(jun)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)潛在(zai)作用(yong)，本研(yan)究采(cai)用(yong)相同的(de)(de)方法(fa)在(zai)四種不(bu)同前體濃度（FeCl3）下制備了(le)磁性生(sheng)物(wu)(wu)(wu)炭，通過(guo)實(shi)時定量(liang)PCR和(he)高通量(liang)測序的(de)(de)方法(fa)，研(yan)究反應器(qi)和(he)磁性生(sheng)物(wu)(wu)(wu)炭中(zhong)的(de)(de)微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)菌(jun)群。
2 研究方法
測(ce)序技術：Illumina MiSeq平(ping)臺
測序模式：細菌16S rRNA基(ji)因V4區(qu)和古菌V5V6區(qu)
實驗設計：
3 研究結果
3.1 生物炭(tan)的(de)特(te)征
根(gen)據X射線衍射法（XRD）分析表明(ming)，相比于100Fe，10Fe能更(geng)好的形成氧化鐵結(jie)晶體，也含有(you)(you)(you)更(geng)多的磁性物(wu)質。而C和1Fe磁性生物(wu)炭中，明(ming)顯沒有(you)(you)(you)觀察到結(jie)晶體。另外(wai)，由于100Fe和10Fe形成了磁性結(jie)晶體，含有(you)(you)(you)更(geng)高的電(dian)(dian)子導電(dian)(dian)性。
隨著(zhu)稻草中的(de)FeCl3的(de)增(zeng)加，磁性生(sheng)物炭的(de)表面積和(he)總孔(kong)隙的(de)體積也在(zai)增(zeng)加。然而(er)發現平均(jun)孔(kong)徑(jing)在(zai)減小，這表明相比于C和(he)1Fe生(sheng)物炭，10Fe和(he)100Fe有(you)著(zhu)更(geng)多的(de)孔(kong)徑(jing)結構。
3.2 生物甲烷(wan)化(hua)的性(xing)能(neng)
對累積的(de)(de)特(te)定甲(jia)烷(wan)生產(chan)、甲(jia)烷(wan)含量、甲(jia)烷(wan)日產(chan)率和(he)Gompertz建模參數進(jin)行分析，結(jie)果表明(ming)四種處(chu)理在7天和(he)16天左右，其累積甲(jia)烷(wan)產(chan)量的(de)(de)峰值達到最高。其中，與CK組比，10Fe處(chu)理的(de)(de)甲(jia)烷(wan)產(chan)量增加了11.49%，而C、1Fe和(he)100Fe處(chu)理則分別下(xia)降了46.97%、42.21%和(he)38.34%。這表明(ming)，C的(de)(de)添加對甲(jia)烷(wan)的(de)(de)生產(chan)并沒有積極的(de)(de)作用。
從(cong)圖(tu)1可(ke)以(yi)看出，五種(zhong)處理(li)下(xia)化(hua)學需氧量(liang)（COD）沒有(you)明顯差異。但(dan)是(shi)從(cong)AD系統過(guo)程中產(chan)生(sheng)(sheng)的揮發性(xing)脂肪(fang)酸來看，所有(you)處理(li)組在(zai)1-7天內(nei)明顯下(xia)降。盡管(guan)揮發性(xing)脂肪(fang)酸的去除(chu)率(lv)高，但(dan)是(shi)生(sheng)(sheng)物炭處理(li)組（除(chu)10Fe）的甲(jia)烷生(sheng)(sheng)產(chan)率(lv)依然很(hen)低(di)。在(zai)消化(hua)的最末階段，100Fe含有(you)可(ke)溶(rong)性(xing)Fe2+上升到585.7 mg/L，此(ci)時沼(zhao)氣產(chan)量(liang)上升近50%。而Fe2+濃度升高可(ke)能是(shi)Fe3+和非結晶鐵(tie)氧化(hua)物還(huan)原(yuan)(yuan)所導(dao)致，這也可(ke)能是(shi)導(dao)致100 Fe生(sheng)(sheng)物炭甲(jia)烷產(chan)量(liang)性(xing)能低(di)的原(yuan)(yuan)因。
圖1 生物甲烷化性能統計
3.3 AD系(xi)統中(zhong)的微生物群落結構和動力學研究
對(dui)測序(xu)序(xu)列進(jin)行分析發現，古(gu)菌(jun)中(zhong)超過(guo)95%都為(wei)(wei)產甲烷菌(jun)。而生物(wu)炭的添加未影(ying)響古(gu)菌(jun)的組成和豐(feng)度。所有處(chu)理(li)中(zhong)，Methanosarcina含量最(zui)高，其次為(wei)(wei)vadinCA11和Methanobacterium 。PCoA分析結果表明，雖然微生物(wu)菌(jun)群發生了變化，但是組間處(chu)理(li)沒(mei)有明顯(xian)差異。
從所有處理組的(de)門水平(ping)細(xi)菌分布情(qing)況可(ke)以看到，Bacteroidetes、Firmicutes和(he)Proteobacteria豐(feng)度之和(he)高(gao)(gao)達69%。與(yu)CK相(xiang)比，添加生(sheng)物炭的(de)處理組中的(de)Proteobacteria豐(feng)度更高(gao)(gao)，尤其是在(zai)100Fe-7 與(yu)C-16中，而Bacteroidetes的(de)相(xiang)對豐(feng)度較低。
圖2 AD系統中的微生物群落結構
為(wei)了進一步比較不同生(sheng)物(wu)炭處理的樣品(pin)中(zhong)(zhong)微(wei)生(sheng)物(wu)群(qun)(qun)落(luo)組成以及生(sheng)物(wu)甲烷化性(xing)能，本研究(jiu)繼續分析(xi)(xi)了科水平的微(wei)生(sheng)物(wu)組成。分析(xi)(xi)發現，100Fe-7中(zhong)(zhong)，Alcaligenaceae相對豐(feng)度(du)為(wei)34.7%，是所有(you)處理中(zhong)(zhong)含(han)量最高的。而Pseudomonadaceae在10Fe-7中(zhong)(zhong)是顯著(zhu)增強的，在10Fe-16中(zhong)(zhong)Pseudomonadaceae卻有(you)所下(xia)降。這種差異性(xing)可能是因為(wei)不同處理中(zhong)(zhong)微(wei)生(sheng)物(wu)菌(jun)群(qun)(qun)的空間分布不同導(dao)致的。
圖3 科水(shui)平細菌(jun)分布熱(re)圖
3.4 磁(ci)性生(sheng)物炭上的微生(sheng)物
利用磁鐵(tie)收(shou)集(ji)磁性生(sheng)物(wu)(wu)(wu)炭，懸浮在液體(ti)上的(de)(de)微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)標位(wei)S，生(sheng)物(wu)(wu)(wu)炭吸附的(de)(de)微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)標位(wei)A。只有10Fe和100Fe的(de)(de)磁性生(sheng)物(wu)(wu)(wu)炭可(ke)以(yi)很(hen)容易收(shou)集(ji)，所以(yi)這部分(fen)的(de)(de)數據只顯示(shi)10Fe和100Fe。
圖4中(zhong)古菌在屬(shu)水平的(de)(de)物(wu)種分布(bu)表(biao)明(ming)，10Fe和100Fe中(zhong)古菌的(de)(de)組(zu)成和豐度是相似的(de)(de)。但是生物(wu)炭(tan)上吸附的(de)(de)產(chan)(chan)甲(jia)(jia)烷(wan)菌的(de)(de)含量在不(bu)(bu)同(tong)處理中(zhong)是不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)。通過對(dui)mcrA做qPCR來定(ding)量產(chan)(chan)甲(jia)(jia)烷(wan)菌，發現(xian)磁性(xing)生物(wu)炭(tan)10Fe吸附了總mcrA的(de)(de)25.3%。作為(wei)對(dui)比，磁性(xing)生物(wu)炭(tan)100Fe中(zhong)的(de)(de)mcrA顯著更(geng)低(di)（13.8%）。說明(ming)添加(jia)磁性(xing)生物(wu)炭(tan)可(ke)以更(geng)好(hao)地(di)解決產(chan)(chan)甲(jia)(jia)烷(wan)菌損失的(de)(de)問題。
對(dui)細(xi)菌門(men)水平的物種(zhong)組成進行分析，發現10Fe和100Fe中細(xi)菌的相(xiang)對(dui)豐度有著明顯差異。還發現100FeA和100FeS中細(xi)菌豐度是相(xiang)似的，但是10FeA和10FeS是顯著差異的。
圖4 10Fe和100Fe中古菌和細菌的物種空間分布及qPCR結果統計
4 總結
本研究發現(xian)磁性(xing)活性(xing)炭10Fe可以通過選擇性(xing)富集(ji)參與厭氧消化(hua)過程(cheng)的(de)(de)功能細(xi)菌和產(chan)甲烷(wan)菌，顯著改善OFMSW泥漿AD系(xi)統中的(de)(de)甲烷(wan)產(chan)量，是解決厭氧消化(hua)系(xi)統中產(chan)甲烷(wan)菌損失(shi)問(wen)題(ti)的(de)(de)潛在方法。
參考文獻
Qin Y, Wang H, Li X, et al. Improving methane yield from organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) with magnetic rice-straw biochar.[J]. Bioresource Technology, 2017, 245(Pt A).
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