沼气发酵中关键因子响应的微量元素定向迁移转化机理研究

Acidification is the main barrier to achieve stabilization and high yield in biogas fermentation. By trace elements (TEs) addition, the activity of methanogenic bacteria can be enhanced and the healthy fermentation state can be achieved. However, the physical and chemical actions, such as adsorption and complexation, between fermentative liquid matrix and the TEs will reduce the bioavailability of TEs, thus restricting the effectiveness of TEs addition strategy. In order to verify the regularity of biological availability of TEs, as well as to distinguish the effective TEs strategy for recovering the acidification and promoting biogas production, the anaerobic digestate from chicken manure, cattle manure and maize stalk fermentation is used to study the bioavailable state concentration, the rule of dynamic variation, and the targeting regulation mechanism of TEs. By means of chemical and biological characterization, the microscopic binding mechanism between TEs and digestate matrix can be illuminated. With statistical approach, the key factors target to regulate the TEs into bioavailable state can be revealed. With the kinetics method, the dynamic formation, migration and transformation mechanism of the TEs bioavailability can be clarified. Finally, the mechanism of the directional migration of TEs to the bioavailable state in response to the key influencing factors can be explained.The solution to the problems on the availability and process controllability of TEs addition is of important scientific and practical significance for solving the problem of acidification, for achieving stable and high-yield biogas production and for improving the efficiency of biogas projects.

农业废弃物沼气发酵过程中，因菌群代谢失调而引发“酸化”是沼气工程稳产高产的关键制约因素。通过投加微量元素，可增强产甲烷菌活力，提升体系抗逆能力和沼气产量。但发酵液基质与微量元素间的吸附、络合等物理化学作用降低微量元素的生物利用率，削弱了微量元素的投加效果。为探明微量元素生物有效性变化规律，从而明确微量元素稳定和促进沼气发酵的有效策略，本项目采用鸡粪/牛粪和玉米秸秆为原料，研究微量元素的生物有效态浓度、动态变化规律及其靶向调控机理。通过化学和生物学表征手段，初步阐明微量元素与基质组分微观结合机理；运用统计学手段，明确微量元素生物有效态迁移转化的关键作用因子；采用动力学研究方法，揭示微量元素生物有效态动态形成及迁移转化规律，最终解析微量元素响应关键影响因子定向迁移转化至生物有效态的作用机理。微量元素投加有效性和过程可控性问题的解决，对解决酸化问题，实现沼气发酵稳产高产具有重要科学和现实意义。

投加微量元素可提升沼气发酵体系抗“酸化”能力和沼气产量。但发酵液基质与微量元素间的吸附、络合等物理化学作用降低微量元素的生物利用率，削弱了微量元素的投加效果。基于此，本研究旨在探明微量元素生物有效性变化规律、靶向调控因子和调控手段，从而为制定有效可控的微量元素投加策略提供科学参考：.1）采用玉米秸秆、牛粪、食品厂废水体系、不同pH（6.5、7.5、8.5）和不同预处理温度（-25℃、100℃、200℃）条件，揭示了Fe、Ni和Co化学形态迁移转化的一般规律。发现外源剂量对元素分布模式无明显影响，而pH值、ORP、污泥种类、消化过程有明显影响。pH 6.5和ORP升高对化学形态动态分布影响较大，可还原态增加，可氧化态减少。温度处理后，Fe、Co和Ni的迁移能力和生物有效性均下降。.2）明确了牛粪/餐厨垃圾体系中调控微量Fe/Co元素化学形态迁移转化的关键因子。通过对微量元素化学形态与内环境因子参数之间进行Pearson相关性分析，发现碱度、pH和VFAs是影响Fe元素化学形态迁移转化的主要因素，而非无机阴离子；VFAs的增长有助于可交换态Fe向水溶性Fe转化。而在pH 8.5初始条件下，中间碱度是影响钴元素化学形态的关键因子。.3）探明了微量Co元素在牛粪发酵过程中的化学形态分布与微生物多样性变化的相互关系。通过修正的 Gompertz 模型，发现添加Co2+=0.1 mg/kg能缩短滞后期，累积产甲烷量可达362.6 mL CH4/g VS，Co元素主要以碳酸盐态和有机/硫化态为主。微生物多样性分析显示，属水平上主要以Methanosaeta和Methanosarcina为主，乙酸途径为主要产甲烷途径。pH越低，微生物群落丰度越低。添加Co元素有助于提高古菌和细菌的丰度。.4）发现了投加生物炭可提高Fe、Co、Ni等微量元素的生物利用度，从而提高甲烷产量的原理。在添加900℃热解制得生物炭的反应器中，比产甲烷量725 mL/g VS/d。通过宏基因组等相关分析，发现生物炭作为氧化还原活性物质，可以在其基质中提供/接受电子，从而影响微量元素的迁移率、生物利用度和释放动力学。