《土霉素濃度對豬糞厭氧發酵的影響》論文發表期刊：《可再生能源》；發表周期：2021年06期

《土霉素濃度對豬糞厭氧發酵的影響》論文作者信息：張無敵（1965-），男，云南石屏人，研究員，博士生導師，研究方向為生物質能工程。

　　摘要：文章以新鮮豬糞為發酵原料，采用批量發酵工藝，對不同濃度土霉素條件下的日產氣量、日產甲烷量累計產氣量、累計產甲烷量以及動力學擬合結果進行分析。分析結果表明：隨著土霉素濃度的增加，各實驗組的累計產氣量均逐漸減少，當土霉素濃度為500 mg/kg時，累計甲烷產量為4454114.35 mL，且抑制率達到最大值(15.02%);當土霉素濃度為0-100 mghkg時，可用線性方程估算出抑制率;當土霉素濃度為300-500 mg/kg時，土霉素會對產甲烷菌產生較大的影響，但系統尚有自我恢復能力;土霉素的引入并未對厭氧發酵過程及產氣規律產生較大影響。該研究結果可為采用含有土霉素的生物質進行厭氧發酵產甲烷提供參考。

　　關鍵詞：厭氧發酵;土霉素;豬糞;動力學

　　0引言

　　抗生素是指由微生物(包括細菌、真菌和放線菌屬)或高等動植物在生長過程中所產生的具有抗病原體或其他活性的一類次級代謝產物。抗生素能干擾其他生物細胞的發育功能，對動物生長健康具有重要的促進作用，從而被廣泛地應用于畜禽養殖業。近年來，我國抗生素產量逐年增加，如2008年我國抗生素生產總量為21萬t，2013年的抗生素生產總量較2008年增長了18.1%，其中46.1%被用于畜禽養殖業"進入動物體內的抗生素只有10%-30%被母體吸收，大部分以初始母體或代謝產物的形式排出體外，直接或間接進入環境，造成水體、土壤等污染，并對人類健康產生潛在危害。土霉素(Oxytetracycline，OTC)是一種廣譜半合成抗生素，是目前最常用于預防和治療動物疾病的四環素類抗生素。

　　近年來，我國農業產業結構不斷調整，畜禽養殖業的發展迎來了新的階段，養殖規模日益擴大。隨著養殖規模的擴大，含有抗生素的畜禽糞便排放導致了水體、空氣、土壤污染等一系列新的環境問題。針對畜禽糞便的面源污染，目前主要有存儲集中利用、堆肥和厭氧發酵處理3種處置方式。相較于其他兩種方式， 厭氧發酵處理不僅能夠解決環境污染，還可以產生可再生能源，緩解能源危機，具有良好的環境效益和經濟效益。厭氧發酵是一個復雜的生化過程，具有反應條件溫和、耗能小等優點，被認為是最具有發展前景的糞污處理技術之一1。

　　糞污中存在的抗生素勢必會對厭氧發酵處理糞污廢棄物的過程和效率產生一定影響，且發酵后的沼肥沼液還田也會對土壤造成污染。早在2000年就有學者提出，利用含有抗生素的豬糞進行低溫厭氧發酵，會導致甲烷產量減少m。Alvarez JA的研究表明，當土霉素和金霉素的濃度為10-

　　100 mg/L時，會對豬糞中溫厭氧發酵產生抑制作用，使得甲烷產量減少56%-62%。文獻[9]，[10發現，在牛糞中溫發酵過程中，隨著OTC添加量的增加，甲烷產量逐漸減少，當OTC的添加量為80 mg/L時，甲烷產量相較于20 mg/L時下降了60.5%。有研究表明，當金霉素濃度低于80 mg/L時，不會對厭氧發酵的沼氣產量產生抑制;當土霉素濃度為0-1000 mg/kg時，有利于厭氧發酵產生甲烷11.12)

　　本研究以豬糞為發酵原料進行批量試驗，探究OTC濃度對豬糞厭氧發酵過程和產氣特性的影響，通過測量甲烷產量，明確 OTC 濃度對厭氧發酵的促進/抑制作用，為實際沼氣工程中利用含OTC糞便進行沼氣生產提供理論依據。

　　1材料與方法

　　1.1實驗材料

　　豬糞取自云南省曲靖市紅石莊園養豬場，接種物為云南省農村能源工程重點實驗室的以豬糞為原料的UASB厭氧消化反應器穩定運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氣，土霉素購于合肥中龍神力動物藥業有限公司。豬糞的總固體(TS)和揮發性固體(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實驗設計

　　實驗采用批量發酵工藝，發酵溫度為30±1

　　℃。實驗采用排水集氣法，裝置由發酵瓶、集氣瓶和排水瓶(容積均為500 mL)用橡膠塞和導管連接而成。本實驗共分為6組，各組接種物加入量為有效發酵體積的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組，加水至有效發酵體積為400 mL。在同等條件下，每組各設置3個平行。

　　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，采用標準灼燒恒重法測定。

　　1.3.2揮發性固體含量

　　將接種物與原料放入馬弗爐，采用標準灼燒恒重法測定。

　　1.3.3日產氣量

　　每隔24 h以3個平行實驗組的平均值作為日產氣量。

　　1.3.4甲烷含量

　　采用福立GC9790 11型氣相色譜儀測定甲烷含量，色譜條件：氣化室溫度為80 ℃，柱箱溫度為80 ℃，TCD溫度為120 ℃，載氣為氮氣，流速為40為ml/min

　　1.3.5產甲烷動力學

　　采用修正的Gompertz模型對厭氧發酵產甲烷進行動力學分析，修正的Gompertz模型的表達式為

　　1.3.6數據分析

　　采用Excel 2013和OriginPro 2018進行數據處理、圖表繪制和方差分析(顯著水平為0.05)。

　　2結果與分析

　　2.1日產氣量

　　OTC濃度對豬糞厭氧發酵日產氣量和日產甲烷量的影響如圖1所示。

　　由圖1可以看出，各實驗組的日產氣量和日產甲烷量的變化規律基本相同，均表現為前3d的產氣量較低，在第5天左右出現第一個產氣高峰，在此高峰期，所有實驗組的甲烷含量均較低，而CO2含量相對較高，可能是因為在厭氧發酵初期，產氫產乙酸菌比產甲烷菌的生長繁殖速度要快，導致CO2的產生速率高于其消耗速率。在第13天左右出現第二個產氣高峰，此時A-F組的日產氣量分別為577，536，491，508，477，477 ml;在第23天左右，A，B，C，D組達到第3個產氣高峰，而E，F組的日產氣量分別下降至139，134 mL;所有實驗組均在第27天左右達到最后一個產氣高峰，之后各實驗組的日產氣量和日產甲烷量均開始逐漸下降，直至產氣結束。出現上述現象的原因是OTC會通過抑制肽的生長和蛋白質的合成而對革蘭氏陰性菌產生抑制效應，最終導致細菌死亡，而產甲烷菌中就有革蘭氏陰性菌，但在該濃度區間內(OTC濃度為300-500 mg/kg)產甲烷菌尚未全部衰亡，系統仍可以實現自我修復。由此分析可以得出，OTC濃度的增加會對豬糞厭氧發酵產生抑制作用，且隨著OTC濃度的增加抑制作用逐漸增強。

　　2.2累計產氣量

　　OTC濃度對厭氧發酵累計產氣量和累計產甲烷量的影響如圖2所示。

　　由圖2可以看出：各實驗組的累計產氣量和累計產甲烷量呈現出相同的變化趨勢;在前3d內，厭氧發酵處于啟動階段，累計產氣量和累計甲烷產量處于較低水平;在第4-40天，厭氧發酵處于穩定運行階段，累計產氣量和累計產甲烷量增

　　長迅速;在第40-45天，厭氧發酵處于結束階段，累計產氣量和累計產甲烷量基本趨于穩定，增幅較小趨近于0，通過差異性分析發現：與A組相比，各實驗組的累計產氣量和累計甲烷產量均呈

　　現顯著性差異(P0.05)，這說明OTC的引入抑制了產甲烷菌的蛋白合成，在一定程度上降低了產甲烷菌的數量，從而導致累計產氣量和累計產甲烷量的減少;整個發酵階段基本符合厭氧發酵規

　　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產氣潛力分析

　　厭氧發酵的產氣潛力分析見表1。由表1可

　　知，A，B，C，D，E，F組的累計產甲烷量分別為5241，5 049，4 788，4 767，4 740，4 454 ml，最大比產甲烷速率分別為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OTC濃度為500 mg/kg時，OTC的抑制效果最明顯，抑制率為15.02%，Yin FB也得出了相似的結論，即當OTC濃度為500 mgkg時，抑制率達到了22.1%，Ke X在牛糞中添加不同濃度OTC并進行中溫厭氧發酵，實驗結果表明，當OTC的濃度分別為12.5，37.5，75 mg/L時，沼氣產量分別減少了 32%，40%，49%%.Wei M利用OTC馴化過的接種物進行豬糞厭氧發酵，實驗結果表明：當OTC的濃度為0-1 000 mg/kg時，OTC會不同程度地促進厭氧發酵產生甲烷。出現不同結果的原因可能是實驗所采取的工藝方法、原料性質、發酵料液配比以及接種物等之間的差異。結合表1中的數據，通過數據回歸分析可知，當OTC濃度為0-100 mg/kg時，OTC濃度(x)與抑制率(y)呈現線性關系，擬合方程為y=0.096 3+0.041(R0.9776)。因此，當OTC濃度為0-100 mg/kg時，OTC濃度對厭氧消化的抑制率可以通過統計分析來估算。

　　3.2 產甲烷動力學分析

　　采用 Gompertz 模型對各試驗組進行擬合分析，得出的相關系數 R2、最大累計產甲烷量Hmax、最大產甲烷速率 Rmax 以及產甲烷延遲期λ 如表 2 所示。

　　由表2可以看出，6組實驗的Gompertz模型擬合相關系數R2均大于0.99，表明該方程適用于所有實驗組的厭氧發酵產甲烷過程。結合圖2和表2可知：各實驗組的的累計產甲烷量分別為最大累計產甲烷量的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，最大產甲烷速率呈現遞減趨勢，可能是因為OTC濃度的增加對產甲烷菌的生長繁殖起到了抑制作用，這與王玲的研究結果相一致;當 OTC濃度較低時(=100 mg/kg)，產甲烷延遲期隨著OTC濃度的增加而逐漸變長，但是，當OTC濃度為500 mg/kg時，產甲烷延遲期卻比A組縮短了0.55 d，這可能是因為當OTC濃度為100 mg/kg左右時，厭氧發酵系統中的蛋白質分解菌、產氫產乙酸菌等產生較大抑制作用，導致水解階段和產氫產乙酸階段產生限速，而對產甲烷階段抑制作用較小，因此延遲了產甲烷階段的啟動時間。

　　4結論

　　①隨著OTC濃度的增大，各實驗組的累計產甲烷量逐漸減小，OTC的抑制作用逐漸加強;當OTC濃度為500 mg/kg時，最大累計產甲烷抑制率達到15.02%。

　　②當OTC的濃度為300-500 mg/kg時，會較大程度地影響微生物的生長代謝，加速產甲烷菌的衰亡，但發酵系統仍然具有自我修復的能力;當OTC的濃度為0-100 mg/kg時，可通過數學分析估算出OTC濃度對厭氧發酵的抑制率。

　　③通過Gompertz模型擬合發現，OTC的引人并不會對發酵過程的整個產氣周期及產氣規律產生較大影響。

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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