陳一等pH對(duì)生物質(zhì)同步水解產(chǎn)酸的影響pH對(duì)生物質(zhì)同步水解產(chǎn)酸的影響周君薇聞岳”周琪(同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)摘要采用香蒲枯葉作為發(fā)酵基質(zhì)考察了水生生物質(zhì)在培養(yǎng)溫度為(25.0±0.5)℃、pH為6~12下的水解產(chǎn)酸情況。結(jié)果表明:(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?30d),不同pH下香蒲枯葉中半纖維素降解率為28%~60%比纖維素(19%~42%)和木質(zhì)素(1%~46%)高(2)在同一發(fā)酵時(shí)間內(nèi),發(fā)酵液總有機(jī)碳(TOC)、還原糖濃度總體隨pH的增大而增大。(3)在pH為11、12下,硫水物質(zhì)含量顯著增加推測(cè)是由于強(qiáng)堿條件有利于腐殖酸和蛋白質(zhì)的溶出。(4)發(fā)酵時(shí)間為25d時(shí),在pH為12下短鏈脂肪酸( SCFAS)最大(1166mg/L關(guān)鍵詞纖維素半纖維素木質(zhì)素短鏈脂肪酸還原糖發(fā)酵親疏水性Effects of pH on litter hydrolysis and short-chain fatty acids accumulation CHEN Yi, ZHOU Junwei, wEN YueZHOU Qi (State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, Tongji University, Shanghai 200092)Abstract: A laboratory experiment was carried out using cattail leaves as substrate to explore the effect of phon the fermentation and short-chain fatty acids(SCFAs) accumulation of aquatic biomass under room temperature((25.0+0. 5)C). The research showed that SCF As achieved the maximum accumulation of 1 049 mg/L under theondition of pH 12 and fermentation for 25 d. Alkaline conditions could enhance lignin and semi-cellulose decomposition,with the highest decomposition rate reached up to 46% and 60% respectively. The decomposition rate of cellulose was in the range of 19%-42%, and alkalescence condition was favorable to cellulose decomposition. The releasingof TOC and reducing sugar indicated that alkaline condition promoted the hydrolysis of cattail leaves efficiently, thehydrophobic material was also significantly increased under the alkaline condition, presumably because alkaline conditions was benefit for dissolution of protein and humic substances.lose; semi-cellulose; lignin; short-chain fatty acids; reducing sugar; fermentation; hydrophobicand hydrophilic properties隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展,能源及資源危機(jī)日天然纖維素由于具有晶區(qū)和非晶區(qū)共存的復(fù)雜結(jié)益凸現(xiàn),開(kāi)發(fā)和利用可再生資源逐漸成為發(fā)展方向。構(gòu),使大量高反應(yīng)性的羥基封閉在結(jié)晶區(qū)內(nèi),難以被在眾多的自然資源中,生物質(zhì)以其來(lái)源豐富、價(jià)格低溶劑所觸及。因此,為了高效利用生物質(zhì)原料,通常廉而備受關(guān)注。生物質(zhì)是指所有可再生的有機(jī)物需要在溶解前進(jìn)行一定的預(yù)處理。傳統(tǒng)的預(yù)處理方質(zhì),包括農(nóng)產(chǎn)品及農(nóng)業(yè)廢料、木材及其廢料、動(dòng)物廢式包括酸水解、堿水解、熱解、機(jī)械處理、輻射處理料、城鎮(zhèn)垃圾和水生植物等,其中絕大多數(shù)屬于木質(zhì)等。但是高溫高壓等預(yù)處理費(fèi)用昂貴,而利用商業(yè)纖維素類生物質(zhì)口。據(jù)估計(jì),作為植物生物質(zhì)的主酶對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行單獨(dú)水解和糖化會(huì)受到纖維素要成分,木質(zhì)素和纖維素以每年約1640億t的速度酶的限制因此將上述步驟在常溫下綜合在一個(gè)反不斷再生,如以能量換算,相當(dāng)于當(dāng)今石油年產(chǎn)量的應(yīng)器里同步進(jìn)行是必要的。筆者研究了不同pH下15~20倍2,是自然界取之不盡、用之不竭的可再生物質(zhì)同步水解產(chǎn)酸的規(guī)律,尋求同步水解產(chǎn)酸的生資源最佳pH和發(fā)酵周期,對(duì)廢棄生物質(zhì)的資源化利用HUME等在分析實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的人工濕地微具有重要意義生態(tài)系統(tǒng)時(shí)指出,水生植物生物質(zhì)主要成分—木實(shí)驗(yàn)材料和方法質(zhì)纖維素是系統(tǒng)反硝化外加碳源的主要原材料,但木質(zhì)纖維素只有經(jīng)過(guò)酶水解后才可生成發(fā)酵性糖,1.1生物質(zhì)中國(guó)煤化工發(fā)酵性糖進(jìn)一步產(chǎn)酸方能被有效利用,高結(jié)晶度的實(shí)驗(yàn)用CNMH在實(shí)驗(yàn)室周邊第一作者:陳一,男,1985年生,博士研究生,主要從事水污染控制與資源化研究通訊作者國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.50808135);國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(No.2009ZX07318002);上海市國(guó)際科技合作項(xiàng)目“崇明村鎮(zhèn)生活污水節(jié)能型生物生態(tài)聯(lián)合處理技術(shù)與示范”(No.2008DFA91000)環(huán)境污染與防治第33卷第6期2011年6月的河道中收集。收集后,將枯葉清洗,研磨至粒徑為液中的親疏水物質(zhì)進(jìn)行分離,發(fā)酵液用0.45pm的0.15mm(100目),風(fēng)干至恒量,保存在室溫下的干濾膜過(guò)濾后去除懸浮物質(zhì),用XAD8樹(shù)脂將發(fā)酵液燥器中。磨碎干燥后的枯葉作為后續(xù)水解產(chǎn)酸實(shí)驗(yàn)中的溶解態(tài)物質(zhì)分為親水性和疏水性2個(gè)部分截的基質(zhì)。接種污泥來(lái)源于上海某污水處理廠的二沉留在樹(shù)脂柱上的部分為疏水物質(zhì),而流出液的組成池。初始香蒲枯葉的主要組分見(jiàn)表1。主要為親水物質(zhì)。各組分含量用TOC表征。表1香蒲枯葉主要組分1.3.5短鏈脂肪酸( SCFAs)Table 1 The main composition of cattail litterSCFAs的定性和定量分析采用氣相色譜法進(jìn)項(xiàng)目纖維素1)半纖維素1)木質(zhì)素1/%/%行測(cè)定。測(cè)定前水樣先用0.4pm的濾膜進(jìn)行壓數(shù)值28.3313.53濾式過(guò)濾,再用3%(體積分?jǐn)?shù))的H3PO調(diào)節(jié)pH注:為質(zhì)量分?jǐn)?shù);2)為質(zhì)量比為2~3,然后收集在容量為1.5mL的氣相色譜專1.2序批式同步水解產(chǎn)酸實(shí)驗(yàn)用棕色小瓶?jī)?nèi)并置于HP5980Ⅱ型氣相色譜儀樣生物質(zhì)水解產(chǎn)酸實(shí)驗(yàn)在250mL血清瓶中進(jìn)品盤(pán)上測(cè)定。氣相色譜檢測(cè)器選用氫火焰檢測(cè)器,行。每個(gè)血清瓶含有3g枯葉。取污泥接種MLSs色譜柱為30m×0.32mm×0.25mm的CF為713mg/L,在接種微生物的同時(shí)添加微量元素和wAX52CB,氮?dú)鉃檩d氣(流速為50mL/min,無(wú)分維生素。選擇pH為6、7、8、9、10、11、12進(jìn)行水解流設(shè)置)。進(jìn)樣器和檢測(cè)器的溫度分別為200、220產(chǎn)酸實(shí)驗(yàn)。先用6mol/ L NaOH和HCl調(diào)節(jié)系統(tǒng)的℃。采用程序升溫,起始爐溫110℃,運(yùn)行2min,pH,每次調(diào)節(jié)完后用氮?dú)獯得撗迤?以保持血清然后按照10℃/min的速度升溫到220℃再運(yùn)行2瓶處于厭氧狀態(tài)。接種好的血清瓶放在空氣搖床上min。1個(gè)樣品的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間為15min,每次進(jìn)進(jìn)行水解產(chǎn)酸實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)溫度為(25.0±0.5)℃,搖樣體積為1.0μL。床轉(zhuǎn)速為150r/min。水樣和固體樣品在第5、1015、20、25、30天采集。生物質(zhì)組分、總有機(jī)碳2結(jié)果與分析(TOC)還原糖、總糖、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)每52.1枯葉主要組分變化規(guī)律分析天測(cè)定1次。由圖1至圖3可見(jiàn),實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?30d),不同pH1.3分析方法下枯葉中半纖維素降解率為28%~60%,比纖維素1.3.1枯葉中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量(19%~42%)和木質(zhì)素(1%~46%)高;在pH為枯葉中半纖維素纖維素和木質(zhì)素的測(cè)定采用112下,半纖維素降解率明顯高于在其他pH下的WANG等介紹的半纖維素纖維素和木質(zhì)素定量降解率這是因?yàn)閴A溶液具有較強(qiáng)的脫木質(zhì)素和半分析程序來(lái)進(jìn)行分析。該程序綜合運(yùn)用了中性洗滌纖維素能力1225。半纖維素降解率在前5天時(shí)速劑與2mo/L鹽酸水解法地衣酚比色定糖法、72%率最大(纖維素和木質(zhì)素也在前5天出現(xiàn)了最大幅硫酸法和蒽酮定糖法。度的降解),之后緩慢上升,至30d時(shí)總體趨于穩(wěn)定。1.3.2枯葉中C、N含量魯pH6-pH=7→pH=8-p=9枯葉中C、N元素采用動(dòng)態(tài)燃燒法進(jìn)行測(cè)定pH=10→pH=ll測(cè)定前樣品先洗凈、烘干、粉碎、過(guò)100目篩。樣品粉末用精度為1/1000000的天平進(jìn)行稱取,然后將樣品用錫箔紙包好置于 Vario elⅢ型元素分析儀進(jìn)行測(cè)定。1.3.3發(fā)酵液TOC和還原糖發(fā)酵過(guò)后,從血清瓶取出混合物進(jìn)行離心,取上層發(fā)酵液將發(fā)酵液的pH調(diào)節(jié)至2,再用0.4pm的濾膜過(guò)濾除去懸浮物質(zhì),之后進(jìn)行TOC和還原糖的中國(guó)煤化工測(cè)定。TOC測(cè)定釆用島津總有機(jī)碳分析儀。還原糖CNMHG測(cè)定采用3,5二硝基水楊酸(DNS比色法。發(fā)酵時(shí)間/d1.3.4發(fā)酵液親疏水性圖1不同pH下半纖維素降解率隨發(fā)酵時(shí)間的變化基于 THURMAN等采用的分離方法對(duì)發(fā)酵Fig,1 Effect of pH on hemicellulose decomposition rate方數(shù)據(jù)陳一等pH對(duì)生物質(zhì)同步水解產(chǎn)酸的影響pH=6·p=7-pH=82.2不同pH下生物質(zhì)的水解產(chǎn)物分析pH=10→pH=l1→pH=l2由圖4可見(jiàn),在同一發(fā)酵時(shí)間內(nèi),發(fā)酵液TOC總體隨pH的增大而增大;在pH為1l12下TOC遠(yuǎn)大于在其他pH下,說(shuō)明生物質(zhì)在pH為11、12下水解更有利于其中有機(jī)碳的溶出,從而為后續(xù)發(fā)酵產(chǎn)酸提供更多的底物。15d后,在pH為10下TOC比在pH為9、11下均要低,這就解釋了在pH為10下 SCFAs產(chǎn)量也偏低的情況。1400發(fā)酵時(shí)間ld圖2不同pH下纖維素降解率隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig 2 Effect of pH on cellulose decomposition ratel000pH=6-●pH=7-pH=8pH=10H=ll- pH=l220發(fā)酵時(shí)間/d圖4不同pH下Toc隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig 4 The effect of pH and fermentation timeon ToC releasing amount還原糖是水解過(guò)程的重要產(chǎn)物,也是后續(xù)產(chǎn)酸的主要基質(zhì)。由圖5可見(jiàn),在同一發(fā)酵時(shí)間內(nèi),發(fā)酵發(fā)酵時(shí)間/d液還原糖濃度總體隨pH的增大而增大,這與TOC圖3不同pH下木質(zhì)素降解率隨發(fā)酵時(shí)間的變化的溶出規(guī)律一致,進(jìn)一步說(shuō)明了堿對(duì)香蒲枯葉水解Fig 3 Effect of ph on lignin decomposition rate的增效作用。還原糖濃度在第5天時(shí)就已達(dá)到最這是由于半纖維素典型的化學(xué)成分為木糖和樹(shù)膠醛大,隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),還原糖濃度略有下降說(shuō)糖等戊糖的支化聚合體?,故半纖維素通常不存在明還原糖的初期溶出主要是由于化學(xué)作用。根據(jù)相于結(jié)晶區(qū),超微結(jié)構(gòu)顯示半纖維素作為橋梁連接著關(guān)文獻(xiàn),化學(xué)作用主要發(fā)生在發(fā)酵初始階段,之后還木質(zhì)素和纖維素。前5天,在化學(xué)作用主導(dǎo)下,半pH=6國(guó)pH=7A PH=9纖維素的連接作用被打破,使得木質(zhì)素和纖維素互00[ⅢpH=l0匪pH=1相分離開(kāi)來(lái),與溶液的接觸面積增大,因而更有利于其降解纖維素的降解規(guī)律與半纖維素和木質(zhì)素有所差異,在強(qiáng)堿條件(pH為10~12)下的纖維素降解率明顯低于在中性條件下,這是因?yàn)榭萑~里的纖維素類型多為不溶于堿且聚合度較高的a纖維素,它在厭氧水解過(guò)程中的降解主要依賴于細(xì)菌、放線菌和真菌等生物降解。木質(zhì)素的降解規(guī)律與半纖維素相似,在pH為中國(guó)煤化工廈11、12下的木質(zhì)素降解率明顯高于在其他pH下。CNMHG這是因?yàn)閴A溶液具有較強(qiáng)的脫木質(zhì)素和半纖維素圖5不同p下還原糖質(zhì)量濃度隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig. 5 The effect of ph and fermentation time on reducing能力62,25。sugar releasing amount13·環(huán)境污染與防治第33卷第6期2011年6月原糖逐步被微生物利用產(chǎn)生 SCFAS或用于自身細(xì)瞤瞤正戊酸叫間異戊酸自正丁酸際異丁酸國(guó)丙酸區(qū)乙配胞組分的合成,因此其含量逐漸呈下降趨勢(shì)。強(qiáng)堿條件對(duì)還原糖溶出的增強(qiáng)效果沒(méi)有TOC明顯,這是由于在還原糖溶出同時(shí),蛋白質(zhì)、腐殖酸等大分子疏水性物質(zhì)也有溶出,而隨著pH的增加,這些大分子疏水物質(zhì)的溶出速率增幅比還原糖溶出速率增幅大,從而使在強(qiáng)堿條件下TOC溶出加強(qiáng)。2.3親疏水物質(zhì)分離結(jié)果分析由圖6可以看出,在pH為6下,疏水物質(zhì)和親水物質(zhì)含量均很少,推測(cè)由于在弱酸條件下不利于枯葉水解和還原糖釋放;在pH為7~8下,水解程度相比在pH為6下有所增強(qiáng),此時(shí)疏水物質(zhì)的構(gòu)圖7發(fā)酵時(shí)間為25d時(shí)不同pH下各 SCFAs單體占成主要為蛋白質(zhì),其溶出速率小于親水物質(zhì)(如還原SCFAs總量的比例Fig 7 Effect of ph on individual SCFA percentage to糖等);在pH為9~12下,隨著pH增大,尤其是在total SCFAs after 25 days of fermentationpH為11、12下,疏水物質(zhì)含量顯著增加,推測(cè)是由由圖8可見(jiàn),在pH為6~10下, SCFAs在25d于強(qiáng)堿有利于腐殖酸和蛋白質(zhì)的溶出,且根據(jù)在pH內(nèi)隨發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸升高,之后 SCFAs開(kāi)始下為11、12下木質(zhì)素降解率顯著高于在其他pH下降。在pH為11、12下, SCFAs在第5~10天時(shí)有(見(jiàn)圖3),疏水性的木質(zhì)素進(jìn)入溶液也使得溶液中所降低,10d后則再升高。這可能是由于強(qiáng)堿及有疏水物質(zhì)含量升高。毒芳香物質(zhì)的溶出對(duì)水解酸化細(xì)菌產(chǎn)生了抑制作翻圍疏水物質(zhì)用,而10d后微生物逐漸適應(yīng)環(huán)境并開(kāi)始發(fā)酵產(chǎn)N親水物質(zhì)酸。不同發(fā)酵時(shí)間時(shí), SCFAs總體隨pH增大而增加。發(fā)酵時(shí)間為25d時(shí),在pH為12下 SCFAs最大(1166mg/L),是在pH為6下的3.6倍。10001200圖6發(fā)酵時(shí)間為25d時(shí)疏水物質(zhì)與600親水物質(zhì)隨pH的變化Fig 6 Variation of hydrophobic and hydrophilic materialswith pH after 25 days of fermentation2.4pH對(duì) SCFAs的產(chǎn)生影響及其機(jī)制探討發(fā)酵時(shí)間為5、10、15、20、25、30d時(shí)均檢測(cè)到的 SCFAs種類有乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊發(fā)酵時(shí)間/d酸、正戊酸。發(fā)酵時(shí)間為25d時(shí),各 SCFAS單體占圖8不同發(fā)酵時(shí)間時(shí) SCFAs隨pH的變化規(guī)律SCFAs總量的比例如圖7所示。由圖7可以看出,Fig.8 The effects of pH on the accumulation of SCFAs在任意pH下 SCFAs的主要組分均為乙酸,在pH3結(jié)論為12下乙酸為 SCFAs總量的95%以上。乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸、正戊酸均能在厭氧發(fā)酵(1)實(shí)驗(yàn)古期(?小不同:下香蒲枯葉中半中國(guó)煤化工系統(tǒng)中積累,其中以乙酸為主,這是因?yàn)橥ǔＬ荚永w維素降維素(19%數(shù)大于3的 SCFAs不能被產(chǎn)甲烷菌利用,卻很易降42%)和木∵。在pH為11、12解成為乙酸,而強(qiáng)堿條件抑制了產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng),乙下,半纖維素和木質(zhì)素降解率明顯高于在其他pH酸不能被產(chǎn)甲烷菌消耗,從而在系統(tǒng)中累積下來(lái)(下轉(zhuǎn)第18頁(yè))方數(shù)據(jù)環(huán)境污染與防治第33卷第6期2011年6月域(4%)達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)水平,分別為1*、2#采樣點(diǎn)。(上接第14頁(yè))(2)東江于流富營(yíng)養(yǎng)化程度區(qū)域差異性明顯,下。在強(qiáng)堿條件下的纖維素降解率明顯低于在中性從上游至下游河口富營(yíng)養(yǎng)化程度逐漸加重。條件下。(3)通過(guò)對(duì)東江TN、TP與葉綠素a相關(guān)性分(2)在同一發(fā)酵時(shí)間內(nèi),發(fā)酵液TOC、還原糖析表明,TN與葉綠素a的相關(guān)性較差,而TP與葉濃度總體隨pH的增大而增大綠素a呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),側(cè)面反映(3)在pH為6下,疏水物質(zhì)和親水物質(zhì)含量了決定東江富營(yíng)養(yǎng)化程度的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為磷均很少,推測(cè)由于在弱酸條件下不利于枯葉水解和綜上所述,針對(duì)東江水質(zhì)污染狀況,建議東江水還原糖釋放;在pH為7~8下,水解程度相比在pH體管理應(yīng)以保護(hù)為主同時(shí)采取有效措施,改善下游為6下有所增強(qiáng),此時(shí)疏水物質(zhì)的構(gòu)成主要為蛋白部分區(qū)域污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀。質(zhì),其溶出速率小于親水物質(zhì)(如還原糖等);在pH參考文獻(xiàn)為9~12下,隨著pH增大,尤其是在pH為11、12下,疏水物質(zhì)含量顯著增加,推測(cè)是由于強(qiáng)堿條件有[]江海,張曉磊陳曉宏?yáng)|江中上游主要控制斷面水質(zhì)變化特征利于腐殖酸和蛋白質(zhì)的溶出。[J].湖泊科學(xué),2009,21(6):873-878.(4)在任意pH下 SCFAs的主要組分均為乙[2]張海星東江源區(qū)水環(huán)境問(wèn)題的初步探討[J.江西水利科技,2002(4):67-72酸,在pH為12下乙酸為 SCFAS總量的95%以上。3]金輝,王翰.東江上游(河源段)水環(huán)境研究[]環(huán)境與開(kāi)發(fā),在pH為6-10下, SCFAS在25d內(nèi)隨發(fā)酵時(shí)間延2000,15(4):26-28.長(zhǎng)而逐漸升高,之后 SCFAs開(kāi)始下降。在pH為4金輝,東江干流東莞段水質(zhì)研究[]環(huán)境科學(xué)研究,2001(3):11、12下, SCFAs在第5~10天時(shí)有所降低,10d后113-115則再升高。發(fā)酵時(shí)間為25d時(shí),在pH為12下[5]劉蔚秋陳桂珠,李金泉廣東省楓樹(shù)壩水庫(kù)浮游植物研究及富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)[.中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,41(1):113SCFAs最大(1166mg/D),是在pH為6下的3.6倍。參考文獻(xiàn)[6]魯垠濤唐常源陳建耀東江干流河水的來(lái)源、水質(zhì)及水資源保護(hù)[J]中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2008,16(2):367-372.[1] WYMAN C E Ethanol from lignocellulosic biomass: technolo-[7]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì),水和廢水gy, economics and opportunities[J]. 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