《土霉素濃度對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵的影響》論文發(fā)表期刊：《可再生能源》；發(fā)表周期：2021年06期

《土霉素濃度對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵的影響》論文作者信息：張無(wú)敵（1965-），男，云南石屏人，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯�物質(zhì)能工程。

　　摘要：文章以新鮮豬糞為發(fā)酵原料，采用批量發(fā)酵工藝，對(duì)不同濃度土霉素條件下的日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)甲烷量累計(jì)產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)甲烷量以及動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：隨著土霉素濃度的增加，各實(shí)驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)氣量均逐漸減少，當(dāng)土霉素濃度為500 mg/kg時(shí)，累計(jì)甲烷產(chǎn)量為4454114.35 mL，且抑制率達(dá)到最大值(15.02%);當(dāng)土霉素濃度為0-100 mghkg時(shí)，可用線性方程估算出抑制率;當(dāng)土霉素濃度為300-500 mg/kg時(shí)，土霉素會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生較大的影響，但系統(tǒng)尚有自我恢復(fù)能力;土霉素的引入并未對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程及產(chǎn)氣規(guī)律產(chǎn)生較大影響。該研究結(jié)果可為采用含有土霉素的生物質(zhì)進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷提供參考。

　　關(guān)鍵詞：厭氧發(fā)酵;土霉素;豬糞;動(dòng)力學(xué)

　　0引言

　　抗生素是指由微生物(包括細(xì)菌、真菌和放線菌屬)或高等動(dòng)植物在生長(zhǎng)過(guò)程中所產(chǎn)生的具有抗病原體或其他活性的一類(lèi)次級(jí)代謝產(chǎn)物。抗生素能干擾其他生物細(xì)胞的發(fā)育功能，對(duì)動(dòng)物生長(zhǎng)健康具有重要的促進(jìn)作用，從而被廣泛地應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)。近年來(lái)，我國(guó)抗生素產(chǎn)量逐年增加，如2008年我國(guó)抗生素生產(chǎn)總量為21萬(wàn)t，2013年的抗生素生產(chǎn)總量較2008年增長(zhǎng)了18.1%，其中46.1%被用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)"進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)的抗生素只有10%-30%被母體吸收，大部分以初始母體或代謝產(chǎn)物的形式排出體外，直接或間接進(jìn)入環(huán)境，造成水體、土壤等污染，并對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生潛在危害。土霉素(Oxytetracycline，OTC)是一種廣譜半合成抗生素，是目前最常用于預(yù)防和治療動(dòng)物疾病的四環(huán)素類(lèi)抗生素。

　　近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展迎來(lái)了新的階段，養(yǎng)殖規(guī)模日益擴(kuò)大。隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大，含有抗生素的畜禽糞便排放導(dǎo)致了水體、空氣、土壤污染等一系列新的環(huán)境問(wèn)題。針對(duì)畜禽糞便的面源污染，目前主要有存儲(chǔ)集中利用、堆肥和厭氧發(fā)酵處理3種處置方式。相較于其他兩種方式， 厭氧發(fā)酵處理不僅能夠解決環(huán)境污染，還可以產(chǎn)生可再生能源，緩解能源危機(jī)，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。厭氧發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生化過(guò)程，具有反應(yīng)條件溫和、耗能小等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的糞污處理技術(shù)之一1。

　　糞污中存在的抗生素勢(shì)必會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵處理糞污廢棄物的過(guò)程和效率產(chǎn)生一定影響，且發(fā)酵后的沼肥沼液還田也會(huì)對(duì)土壤造成污染。早在2000年就有學(xué)者提出，利用含有抗生素的豬糞進(jìn)行低溫厭氧發(fā)酵，會(huì)導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量減少m。Alvarez JA的研究表明，當(dāng)土霉素和金霉素的濃度為10-

　　100 mg/L時(shí)，會(huì)對(duì)豬糞中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用，使得甲烷產(chǎn)量減少56%-62%。文獻(xiàn)[9]，[10發(fā)現(xiàn)，在牛糞中溫發(fā)酵過(guò)程中，隨著OTC添加量的增加，甲烷產(chǎn)量逐漸減少，當(dāng)OTC的添加量為80 mg/L時(shí)，甲烷產(chǎn)量相較于20 mg/L時(shí)下降了60.5%。有研究表明，當(dāng)金霉素濃度低于80 mg/L時(shí)，不會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量產(chǎn)生抑制;當(dāng)土霉素濃度為0-1000 mg/kg時(shí)，有利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷11.12)

　　本研究以豬糞為發(fā)酵原料進(jìn)行批量試驗(yàn)，探究OTC濃度對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵過(guò)程和產(chǎn)氣特性的影響，通過(guò)測(cè)量甲烷產(chǎn)量，明確 OTC 濃度對(duì)厭氧發(fā)酵的促進(jìn)/抑制作用，為實(shí)際沼氣工程中利用含OTC糞便進(jìn)行沼氣生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1實(shí)驗(yàn)材料

　　豬糞取自云南省曲靖市紅石莊園養(yǎng)豬場(chǎng)，接種物為云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的以豬糞為原料的UASB厭氧消化反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行一年以上馴化的活性污泥，接種物在厭氧條件下完全不產(chǎn)氣，土霉素購(gòu)于合肥中龍神力動(dòng)物藥業(yè)有限公司。豬糞的總固體(TS)和揮發(fā)性固體(VS)含量分別為31.11%和74.60%，接種物的TS和VS含量分別為10.91%和46.98%。

　　1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　實(shí)驗(yàn)采用批量發(fā)酵工藝，發(fā)酵溫度為30±1

　　℃。實(shí)驗(yàn)采用排水集氣法，裝置由發(fā)酵瓶、集氣瓶和排水瓶(容積均為500 mL)用橡膠塞和導(dǎo)管連接而成。本實(shí)驗(yàn)共分為6組，各組接種物加入量為有效發(fā)酵體積的30%，豬糞加入量為60 g，土霉素加入量分別為0，40，80，100，300，50 mgkg，分別記為A，B，C，D，E，F(xiàn)組，加水至有效發(fā)酵體積為400 mL。在同等條件下，每組各設(shè)置3個(gè)平行。

　　1.3分析方法

　　1.3.1總固體含量

　　將接種物與原料放入烘干箱，采用標(biāo)準(zhǔn)灼燒恒重法測(cè)定。

　　1.3.2揮發(fā)性固體含量

　　將接種物與原料放入馬弗爐，采用標(biāo)準(zhǔn)灼燒恒重法測(cè)定。

　　1.3.3日產(chǎn)氣量

　　每隔24 h以3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)組的平均值作為日產(chǎn)氣量。

　　1.3.4甲烷含量

　　采用福立GC9790 11型氣相色譜儀測(cè)定甲烷含量，色譜條件：氣化室溫度為80 ℃，柱箱溫度為80 ℃，TCD溫度為120 ℃，載氣為氮?dú)猓�流速�?0為ml/min

　　1.3.5產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)

　　采用修正的Gompertz模型對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，修正的Gompertz模型的表達(dá)式為

　　1.3.6數(shù)據(jù)分析

　　采用Excel 2013和OriginPro 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖表繪制和方差分析(顯著水平為0.05)。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1日產(chǎn)氣量

　　OTC濃度對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)甲烷量的影響如圖1所示。

　　由圖1可以看出，各實(shí)驗(yàn)組的日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)甲烷量的變化規(guī)律基本相同，均表現(xiàn)為前3d的產(chǎn)氣量較低，在第5天左右出現(xiàn)第一個(gè)產(chǎn)氣高峰，在此高峰期，所有實(shí)驗(yàn)組的甲烷含量均較低，而CO2含量相對(duì)較高，可能是因?yàn)樵趨捬醢l(fā)酵初期，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌比產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖速度要快，導(dǎo)致CO2的產(chǎn)生速率高于其消耗速率。在第13天左右出現(xiàn)第二個(gè)產(chǎn)氣高峰，此時(shí)A-F組的日產(chǎn)氣量分別為577，536，491，508，477，477 ml;在第23天左右，A，B，C，D組達(dá)到第3個(gè)產(chǎn)氣高峰，而E，F(xiàn)組的日產(chǎn)氣量分別下降至139，134 mL;所有實(shí)驗(yàn)組均在第27天左右達(dá)到最后一個(gè)產(chǎn)氣高峰，之后各實(shí)驗(yàn)組的日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)甲烷量均開(kāi)始逐漸下降，直至產(chǎn)氣結(jié)束。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是OTC會(huì)通過(guò)抑制肽的生長(zhǎng)和蛋白質(zhì)的合成而對(duì)革蘭氏陰性菌產(chǎn)生抑制效應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡，而產(chǎn)甲烷菌中就有革蘭氏陰性菌，但在該濃度區(qū)間內(nèi)(OTC濃度為300-500 mg/kg)產(chǎn)甲烷菌尚未全部衰亡，系統(tǒng)仍可以實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。由此分析可以得出，OTC濃度的增加會(huì)對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用，且隨著OTC濃度的增加抑制作用逐漸增強(qiáng)。

　　2.2累計(jì)產(chǎn)氣量

　　OTC濃度對(duì)厭氧發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)甲烷量的影響如圖2所示。

　　由圖2可以看出：各實(shí)驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)甲烷量呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì);在前3d內(nèi)，厭氧發(fā)酵處于啟動(dòng)階段，累計(jì)產(chǎn)氣量和累計(jì)甲烷產(chǎn)量處于較低水平;在第4-40天，厭氧發(fā)酵處于穩(wěn)定運(yùn)行階段，累計(jì)產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)甲烷量增

　　長(zhǎng)迅速;在第40-45天，厭氧發(fā)酵處于結(jié)束階段，累計(jì)產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)甲烷量基本趨于穩(wěn)定，增幅較小趨近于0，通過(guò)差異性分析發(fā)現(xiàn)：與A組相比，各實(shí)驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)氣量和累計(jì)甲烷產(chǎn)量均呈

　　現(xiàn)顯著性差異(P0.05)，這說(shuō)明OTC的引入抑制了產(chǎn)甲烷菌的蛋白合成，在一定程度上降低了產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，從而導(dǎo)致累計(jì)產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)甲烷量的減少;整個(gè)發(fā)酵階段基本符合厭氧發(fā)酵規(guī)

　　律，A-F組的平均甲烷含量分別為53.4%，52.1%，51.9%，51.3%，51.4%和51.0%

　　3討論

　　3.1產(chǎn)氣潛力分析

　　厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力分析見(jiàn)表1。由表1可

　　知，A，B，C，D，E，F(xiàn)組的累計(jì)產(chǎn)甲烷量分別為5241，5 049，4 788，4 767，4 740，4 454 ml，最大比產(chǎn)甲烷速率分別為87.4，84.2，79.8，79.5，79.0，74.2 ml/g，抑制率隨著OTC濃度的增加而逐漸增大，當(dāng)OTC濃度為500 mg/kg時(shí)，OTC的抑制效果最明顯，抑制率為15.02%，Yin FB也得出了相似的結(jié)論，即當(dāng)OTC濃度為500 mgkg時(shí)，抑制率達(dá)到了22.1%，Ke X在牛糞中添加不同濃度OTC并進(jìn)行中溫厭氧發(fā)酵，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)OTC的濃度分別為12.5，37.5，75 mg/L時(shí)，沼氣產(chǎn)量分別減少了 32%，40%，49%%.Wei M利用OTC馴化過(guò)的接種物進(jìn)行豬糞厭氧發(fā)酵，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)OTC的濃度為0-1 000 mg/kg時(shí)，OTC會(huì)不同程度地促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷。出現(xiàn)不同結(jié)果的原因可能是實(shí)驗(yàn)所采取的工藝方法、原料性質(zhì)、發(fā)酵料液配比以及接種物等之間的差異。結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)回歸分析可知，當(dāng)OTC濃度為0-100 mg/kg時(shí)，OTC濃度(x)與抑制率(y)呈現(xiàn)線性關(guān)系，擬合方程為y=0.096 3+0.041(R0.9776)。因此，當(dāng)OTC濃度為0-100 mg/kg時(shí)，OTC濃度對(duì)厭氧消化的抑制率可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)估算。

　　3.2 產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)分析

　　采用 Gompertz 模型對(duì)各試驗(yàn)組進(jìn)行擬合分析，得出的相關(guān)系數(shù) R2、最大累計(jì)產(chǎn)甲烷量Hmax、最大產(chǎn)甲烷速率 Rmax 以及產(chǎn)甲烷延遲期λ 如表 2 所示。

　　由表2可以看出，6組實(shí)驗(yàn)的Gompertz模型擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，表明該方程適用于所有實(shí)驗(yàn)組的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程。結(jié)合圖2和表2可知：各實(shí)驗(yàn)組的的累計(jì)產(chǎn)甲烷量分別為最大累計(jì)產(chǎn)甲烷量的89.2%，89.4%，89.0%，89.6%，

　　86.6%和86.7%，二者基本一致;隨著OTC濃度的增加，最大產(chǎn)甲烷速率呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，可能是因?yàn)镺TC濃度的增加對(duì)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖起到了抑制作用，這與王玲的研究結(jié)果相一致;當(dāng) OTC濃度較低時(shí)(=100 mg/kg)，產(chǎn)甲烷延遲期隨著OTC濃度的增加而逐漸變長(zhǎng)，但是，當(dāng)OTC濃度為500 mg/kg時(shí)，產(chǎn)甲烷延遲期卻比A組縮短了0.55 d，這可能是因?yàn)楫?dāng)OTC濃度為100 mg/kg左右時(shí)，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)分解菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌等產(chǎn)生較大抑制作用，導(dǎo)致水解階段和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段產(chǎn)生限速，而對(duì)產(chǎn)甲烷階段抑制作用較小，因此延遲了產(chǎn)甲烷階段的啟動(dòng)時(shí)間。

　　4結(jié)論

　　①隨著OTC濃度的增大，各實(shí)驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)甲烷量逐漸減小，OTC的抑制作用逐漸加強(qiáng);當(dāng)OTC濃度為500 mg/kg時(shí)，最大累計(jì)產(chǎn)甲烷抑制率達(dá)到15.02%。

　　②當(dāng)OTC的濃度為300-500 mg/kg時(shí)，會(huì)較大程度地影響微生物的生長(zhǎng)代謝，加速產(chǎn)甲烷菌的衰亡，但發(fā)酵系統(tǒng)仍然具有自我修復(fù)的能力;當(dāng)OTC的濃度為0-100 mg/kg時(shí)，可通過(guò)數(shù)學(xué)分析估算出OTC濃度對(duì)厭氧發(fā)酵的抑制率。

　　③通過(guò)Gompertz模型擬合發(fā)現(xiàn)，OTC的引人并不會(huì)對(duì)發(fā)酵過(guò)程的整個(gè)產(chǎn)氣周期及產(chǎn)氣規(guī)律產(chǎn)生較大影響。

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　　Abstract: In this study, Pig manure was used as substrate. Batch fermentation technology was conducted to evaluate the biogas yield and the effect of various oxytetracycline concentrations on cumulative methane yield, cumulative biogas yield, daily methane yield, daily biogas yield and analyze the kinetic fitting results. The results shown that cumulative gas production gradually decreased with increasing the concentration of oxytetracycline. The maximum methane vield of 4 454±

　　114.35 mL and maximum inhibition rate of 15.02% were obtained under oxytetracycline concentration of

　　500 mg/kg. The linear equation can be used to estimate the inhibition rate within concentration of 0-100

　　mg/kg. The methanogens were affected within concentration of 300-500 mg/kg, but the system had the ability to repair itself. In addition, kinetic analysis indicated that the oxytetracyeline have insignificant impacts on the anaerobic digestion process and biogas yield. This study served as a referencefor the anaerobic digestion containing oxytetracycline.

　　Key words: anaerobic fermentation; oxytetracycline; pig manure; kinetics