pH对生物质同步水解产酸的影响

陈一等pH对生物质同步水解产酸的影响pH对生物质同步水解产酸的影响周君薇闻岳”周琪(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)摘要采用香蒲枯叶作为发酵基质考察了水生生物质在培养温度为(25.0±0.5)℃、pH为6~12下的水解产酸情况。结果表明:(1)实验末期(30d),不同pH下香蒲枯叶中半纤维素降解率为28%~60%比纤维素(19%~42%)和木质素(1%~46%)高(2)在同一发酵时间内,发酵液总有机碳(TOC)、还原糖浓度总体随pH的增大而增大。(3)在pH为11、12下,硫水物质含量显著增加推测是由于强碱条件有利于腐殖酸和蛋白质的溶出。(4)发酵时间为25d时,在pH为12下短链脂肪酸( SCFAS)最大(1166mg/L关键词纤维素半纤维素木质素短链脂肪酸还原糖发酵亲疏水性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随着人类社会的快速发展,能源及资源危机日天然纤维素由于具有晶区和非晶区共存的复杂结益凸现,开发和利用可再生资源逐渐成为发展方向。构,使大量高反应性的羟基封闭在结晶区内,难以被在众多的自然资源中,生物质以其来源丰富、价格低溶剂所触及。因此,为了高效利用生物质原料,通常廉而备受关注。生物质是指所有可再生的有机物需要在溶解前进行一定的预处理。传统的预处理方质,包括农产品及农业废料、木材及其废料、动物废式包括酸水解、碱水解、热解、机械处理、辐射处理料、城镇垃圾和水生植物等,其中绝大多数属于木质等。但是高温高压等预处理费用昂贵,而利用商业纤维素类生物质口。据估计,作为植物生物质的主酶对木质纤维素进行单独水解和糖化会受到纤维素要成分,木质素和纤维素以每年约1640亿t的速度酶的限制因此将上述步骤在常温下综合在一个反不断再生,如以能量换算,相当于当今石油年产量的应器里同步进行是必要的。笔者研究了不同pH下15~20倍2,是自然界取之不尽、用之不竭的可再生物质同步水解产酸的规律,寻求同步水解产酸的生资源最佳pH和发酵周期,对废弃生物质的资源化利用HUME等在分析实验室构建的人工湿地微具有重要意义生态系统时指出,水生植物生物质主要成分—木实验材料和方法质纤维素是系统反硝化外加碳源的主要原材料,但木质纤维素只有经过酶水解后才可生成发酵性糖,1.1生物质中国煤化工发酵性糖进一步产酸方能被有效利用,高结晶度的实验用CNMH在实验室周边第一作者:陈一,男,1985年生,博士研究生,主要从事水污染控制与资源化研究通讯作者国家自然科学基金资助项目(No.50808135);国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2009ZX07318002);上海市国际科技合作项目“崇明村镇生活污水节能型生物生态联合处理技术与示范”(No.2008DFA91000)环境污染与防治第33卷第6期2011年6月的河道中收集。收集后,将枯叶清洗,研磨至粒径为液中的亲疏水物质进行分离,发酵液用0.45pm的0.15mm(100目),风干至恒量,保存在室温下的干滤膜过滤后去除悬浮物质,用XAD8树脂将发酵液燥器中。磨碎干燥后的枯叶作为后续水解产酸实验中的溶解态物质分为亲水性和疏水性2个部分截的基质。接种污泥来源于上海某污水处理厂的二沉留在树脂柱上的部分为疏水物质,而流出液的组成池。初始香蒲枯叶的主要组分见表1。主要为亲水物质。各组分含量用TOC表征。表1香蒲枯叶主要组分1.3.5短链脂肪酸( SCFAs)Table 1 The main composition of cattail litterSCFAs的定性和定量分析采用气相色谱法进项目纤维素1)半纤维素1)木质素1/%/%行测定。测定前水样先用0.4pm的滤膜进行压数值28.3313.53滤式过滤,再用3%(体积分数)的H3PO调节pH注:为质量分数;2)为质量比为2~3,然后收集在容量为1.5mL的气相色谱专1.2序批式同步水解产酸实验用棕色小瓶内并置于HP5980Ⅱ型气相色谱仪样生物质水解产酸实验在250mL血清瓶中进品盘上测定。气相色谱检测器选用氢火焰检测器,行。每个血清瓶含有3g枯叶。取污泥接种MLSs色谱柱为30m×0.32mm×0.25mm的CF为713mg/L,在接种微生物的同时添加微量元素和wAX52CB,氮气为载气(流速为50mL/min,无分维生素。选择pH为6、7、8、9、10、11、12进行水解流设置)。进样器和检测器的温度分别为200、220产酸实验。先用6mol/ L NaOH和HCl调节系统的℃。采用程序升温,起始炉温110℃,运行2min,pH,每次调节完后用氮气吹脱血清瓶,以保持血清然后按照10℃/min的速度升温到220℃再运行2瓶处于厌氧状态。接种好的血清瓶放在空气摇床上min。1个样品的整个运行时间为15min,每次进进行水解产酸实验,培养温度为(25.0±0.5)℃,摇样体积为1.0μL。床转速为150r/min。水样和固体样品在第5、1015、20、25、30天采集。生物质组分、总有机碳2结果与分析(TOC)还原糖、总糖、挥发性脂肪酸(VFAs)每52.1枯叶主要组分变化规律分析天测定1次。由图1至图3可见,实验末期(30d),不同pH1.3分析方法下枯叶中半纤维素降解率为28%~60%,比纤维素1.3.1枯叶中纤维素、半纤维素和木质素含量(19%~42%)和木质素(1%~46%)高;在pH为枯叶中半纤维素纤维素和木质素的测定采用112下,半纤维素降解率明显高于在其他pH下的WANG等介绍的半纤维素纤维素和木质素定量降解率这是因为碱溶液具有较强的脱木质素和半分析程序来进行分析。该程序综合运用了中性洗涤纤维素能力1225。半纤维素降解率在前5天时速剂与2mo/L盐酸水解法地衣酚比色定糖法、72%率最大(纤维素和木质素也在前5天出现了最大幅硫酸法和蒽酮定糖法。度的降解),之后缓慢上升,至30d时总体趋于稳定。1.3.2枯叶中C、N含量鲁pH6-pH=7→pH=8-p=9枯叶中C、N元素采用动态燃烧法进行测定pH=10→pH=ll测定前样品先洗净、烘干、粉碎、过100目筛。样品粉末用精度为1/1000000的天平进行称取,然后将样品用锡箔纸包好置于 Vario elⅢ型元素分析仪进行测定。1.3.3发酵液TOC和还原糖发酵过后,从血清瓶取出混合物进行离心,取上层发酵液将发酵液的pH调节至2,再用0.4pm的滤膜过滤除去悬浮物质,之后进行TOC和还原糖的中国煤化工测定。TOC测定釆用岛津总有机碳分析仪。还原糖CNMHG测定采用3,5二硝基水杨酸(DNS比色法。发酵时间/d1.3.4发酵液亲疏水性图1不同pH下半纤维素降解率随发酵时间的变化基于 THURMAN等采用的分离方法对发酵Fig,1 Effect of pH on hemicellulose decomposition rate方数据陈一等pH对生物质同步水解产酸的影响pH=6·p=7-pH=82.2不同pH下生物质的水解产物分析pH=10→pH=l1→pH=l2由图4可见,在同一发酵时间内,发酵液TOC总体随pH的增大而增大;在pH为1l12下TOC远大于在其他pH下,说明生物质在pH为11、12下水解更有利于其中有机碳的溶出,从而为后续发酵产酸提供更多的底物。15d后,在pH为10下TOC比在pH为9、11下均要低,这就解释了在pH为10下 SCFAs产量也偏低的情况。1400发酵时间ld图2不同pH下纤维素降解率随发酵时间的变化Fig 2 Effect of pH on cellulose decomposition ratel000pH=6-●pH=7-pH=8pH=10H=ll- pH=l220发酵时间/d图4不同pH下Toc随发酵时间的变化Fig 4 The effect of pH and fermentation timeon ToC releasing amount还原糖是水解过程的重要产物,也是后续产酸的主要基质。由图5可见,在同一发酵时间内,发酵发酵时间/d液还原糖浓度总体随pH的增大而增大,这与TOC图3不同pH下木质素降解率随发酵时间的变化的溶出规律一致,进一步说明了碱对香蒲枯叶水解Fig 3 Effect of ph on lignin decomposition rate的增效作用。还原糖浓度在第5天时就已达到最这是由于半纤维素典型的化学成分为木糖和树胶醛大,随着发酵时间的延长,还原糖浓度略有下降说糖等戊糖的支化聚合体?,故半纤维素通常不存在明还原糖的初期溶出主要是由于化学作用。根据相于结晶区,超微结构显示半纤维素作为桥梁连接着关文献,化学作用主要发生在发酵初始阶段,之后还木质素和纤维素。前5天,在化学作用主导下,半pH=6國pH=7A PH=9纤维素的连接作用被打破,使得木质素和纤维素互00[ⅢpH=l0匪pH=1相分离开来,与溶液的接触面积增大,因而更有利于其降解纤维素的降解规律与半纤维素和木质素有所差异,在强碱条件(pH为10~12)下的纤维素降解率明显低于在中性条件下,这是因为枯叶里的纤维素类型多为不溶于碱且聚合度较高的a纤维素,它在厌氧水解过程中的降解主要依赖于细菌、放线菌和真菌等生物降解。木质素的降解规律与半纤维素相似,在pH为中国煤化工厦11、12下的木质素降解率明显高于在其他pH下。CNMHG这是因为碱溶液具有较强的脱木质素和半纤维素图5不同p下还原糖质量浓度随发酵时间的变化Fig. 5 The effect of ph and fermentation time on reducing能力62,25。sugar releasing amount13·环境污染与防治第33卷第6期2011年6月原糖逐步被微生物利用产生 SCFAS或用于自身细瞤瞤正戊酸叫間异戊酸自正丁酸際异丁酸國丙酸区乙配胞组分的合成,因此其含量逐渐呈下降趋势。强碱条件对还原糖溶出的增强效果没有TOC明显,这是由于在还原糖溶出同时,蛋白质、腐殖酸等大分子疏水性物质也有溶出,而随着pH的增加,这些大分子疏水物质的溶出速率增幅比还原糖溶出速率增幅大,从而使在强碱条件下TOC溶出加强。2.3亲疏水物质分离结果分析由图6可以看出,在pH为6下,疏水物质和亲水物质含量均很少,推测由于在弱酸条件下不利于枯叶水解和还原糖释放;在pH为7~8下,水解程度相比在pH为6下有所增强,此时疏水物质的构图7发酵时间为25d时不同pH下各 SCFAs单体占成主要为蛋白质,其溶出速率小于亲水物质(如还原SCFAs总量的比例Fig 7 Effect of ph on individual SCFA percentage to糖等);在pH为9~12下,随着pH增大,尤其是在total SCFAs after 25 days of fermentationpH为11、12下,疏水物质含量显著增加,推测是由由图8可见,在pH为6~10下, SCFAs在25d于强碱有利于腐殖酸和蛋白质的溶出,且根据在pH内随发酵时间延长而逐渐升高,之后 SCFAs开始下为11、12下木质素降解率显著高于在其他pH下降。在pH为11、12下, SCFAs在第5~10天时有(见图3),疏水性的木质素进入溶液也使得溶液中所降低,10d后则再升高。这可能是由于强碱及有疏水物质含量升高。毒芳香物质的溶出对水解酸化细菌产生了抑制作翻围疏水物质用,而10d后微生物逐渐适应环境并开始发酵产N亲水物质酸。不同发酵时间时, SCFAs总体随pH增大而增加。发酵时间为25d时,在pH为12下 SCFAs最大(1166mg/L),是在pH为6下的3.6倍。10001200图6发酵时间为25d时疏水物质与600亲水物质随pH的变化Fig 6 Variation of hydrophobic and hydrophilic materialswith pH after 25 days of fermentation2.4pH对 SCFAs的产生影响及其机制探讨发酵时间为5、10、15、20、25、30d时均检测到的 SCFAs种类有乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊发酵时间/d酸、正戊酸。发酵时间为25d时,各 SCFAS单体占图8不同发酵时间时 SCFAs随pH的变化规律SCFAs总量的比例如图7所示。由图7可以看出,Fig.8 The effects of pH on the accumulation of SCFAs在任意pH下 SCFAs的主要组分均为乙酸,在pH3结论为12下乙酸为 SCFAs总量的95%以上。乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸均能在厌氧发酵(1)实验古期(?小不同:下香蒲枯叶中半中国煤化工系统中积累,其中以乙酸为主,这是因为通常碳原子纤维素降维素(19%数大于3的 SCFAs不能被产甲烷菌利用,却很易降42%)和木∵。在pH为11、12解成为乙酸,而强碱条件抑制了产甲烷菌的活动,乙下,半纤维素和木质素降解率明显高于在其他pH酸不能被产甲烷菌消耗,从而在系统中累积下来(下转第18页)方数据环境污染与防治第33卷第6期2011年6月域(4%)达到富营养水平,分别为1*、2#采样点。(上接第14页)(2)东江于流富营养化程度区域差异性明显,下。在强碱条件下的纤维素降解率明显低于在中性从上游至下游河口富营养化程度逐渐加重。条件下。(3)通过对东江TN、TP与叶绿素a相关性分(2)在同一发酵时间内,发酵液TOC、还原糖析表明,TN与叶绿素a的相关性较差,而TP与叶浓度总体随pH的增大而增大绿素a呈显著的正相关关系(P<0.01),侧面反映(3)在pH为6下,疏水物质和亲水物质含量了决定东江富营养化程度的关键营养物质为磷均很少,推测由于在弱酸条件下不利于枯叶水解和综上所述,针对东江水质污染状况,建议东江水还原糖释放;在pH为7~8下,水解程度相比在pH体管理应以保护为主同时采取有效措施,改善下游为6下有所增强,此时疏水物质的构成主要为蛋白部分区域污染严重的现状。质,其溶出速率小于亲水物质(如还原糖等);在pH参考文献为9~12下,随着pH增大,尤其是在pH为11、12下,疏水物质含量显著增加,推测是由于强碱条件有[]江海,张晓磊陈晓宏东江中上游主要控制断面水质变化特征利于腐殖酸和蛋白质的溶出。[J].湖泊科学,2009,21(6):873-878.(4)在任意pH下 SCFAs的主要组分均为乙[2]张海星东江源区水环境问题的初步探讨[J.江西水利科技,2002(4):67-72酸,在pH为12下乙酸为 SCFAS总量的95%以上。3]金辉,王翰.东江上游(河源段)水环境研究[]环境与开发,在pH为6-10下, SCFAS在25d内随发酵时间延2000,15(4):26-28.长而逐渐升高,之后 SCFAs开始下降。在pH为4金辉,东江干流东莞段水质研究[]环境科学研究,2001(3):11、12下, SCFAs在第5~10天时有所降低,10d后113-115则再升高。发酵时间为25d时,在pH为12下[5]刘蔚秋陈桂珠,李金泉广东省枫树坝水库浮游植物研究及富营养化评价[.中山大学学报:自然科学版,2002,41(1):113SCFAs最大(1166mg/D),是在pH为6下的3.6倍。参考文献[6]鲁垠涛唐常源陈建耀东江干流河水的来源、水质及水资源保护[J]中国生态农业学报,2008,16(2):367-372.[1] WYMAN C E Ethanol from lignocellulosic biomass: technolo-[7]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会,水和废水gy, economics and opportunities[J]. Bioresource Technology监测分析方法[M4版.北京:中国环境科学出版社,20021994,50(1):3-15[8]蔡庆华.湖泊富营养化综合评价方法[].湖泊科学,199,9[2]闵恩泽,吴巍可再生生物质资源[化工进展,200,21(5):[9]王明翠,刘雪芹张建辉湖泊富营养化评价方法及分级标准[3] HUME N P, FLEMING MS, HORNE A J Plant carbohydrate[.中国环境监测,2002,18(5):47-49limitation on nitrate reduction in wetland microcosms[J]. Wa[10]任学蓉,张宁惠沙湖水体富营养化限制性因子分析[].宁夏ter Research,2002,36(3);577-584[4] WANG Yuwan, XU Wenyu. The quantitative analysis of hemi-工程技术,2006,5(3):288-2celluloses, cellulose and lignin in lignocellulose solid matrix[J][1]胡韧,林秋奇,段舜山,等.热带亚热带水库浮游植物叶绿素aJournal of Microbiology, 1987, 27(2): 82-84与磷分布的特征[J].生态科学,2002,21(4):310315[5] THURMAN E M, MALCOLM R L Preparative isolation of a[12]李夜光,李中奎,耿亚红富营养化水体中NP浓度对浮游植quatic humic substances [J].Environ. Sci.Technol.,1981,15物生长繁殖速率和生物量的影响[门生态学报,2006,26(2)(4):463-466214-218[6]陈洪章纤维素生物技术[M].北京:化学工业出版社,2005[13]日本水产学会,水圈的富营养化与水产增殖[M]北京;农业7] XIAO B, SUNX F, SUN R C. Chemical, structural, and ther出版社,1986:1-19mal characterizations of alkali-soluble lignins and hemicellulo-[14]王兆印,程东升,段学花东江河流生态评价及其修复方略ses,and cellulose from maize stems, rye straw, and rice straw[J.水利学报,2007,38(10):221-227[J]. Polymer Degradation and Stability, 2001, 74(2): 307-319[15]杨清心,太湖水华成因及控制途径初探[J]湖泊科学,19968[8] SUN R C, FANG J M, TOMKINSON J, et al. Fractional isola-(1):67-74tion, physico-chemical characterization and homogeneous ester-ification of hemicelluloses from fast-growing poplar wood[J].[16]雷泽湘,徐德兰,黄沛生.太湖沉水和浮叶植被及其水环境效Carbohydrate Polymers. 2001. 44(1). 29-39应研究[.生态环境,2006,15(2):239243.[9] GRACA中国煤化工Koc., Method17]王浩,陈敏建,唐克旺.水生态环境价值和保护对策[M].北CN G: Springer, 2005: 33京:清华大学出版社,2004:62.编辑:贺锋萍(修改稿收到日期:2010-12-01)编辑:黄苇(修改稿收到日期:2011-02-2618·