2018-07-16
最近，派森諾生物再次與浙江大學合作，在《Bioresource Technology》（影響因子5.807）上發表文章，揭示磁性生物炭如何在厭氧消化系統中影響產甲烷菌。
1 研究背景
城市固體廢棄物（MSW）的處理一直都是各個國家面臨的老大難問題，其中主要成分是有機組分（OFMSW），包含有大量的容易發生生物降解的材料。目前對于OFMSW的處理，廣泛采用的是厭氧消化系統（以下簡稱AD系統）。但是該系統不僅甲烷產生率低，系統也不穩定。之前有研究表明，在AD系統中添加生物炭能夠提高甲烷的產生。然而，生物炭使用之后難以循環利用，導致AD系統的成本過高。為了解決這個問題，便有了磁性生物炭的引入。
磁性生物炭是由生物炭和磁性介質組成。它不僅能夠很好的解決生物炭循環使用的問題，而且還使產甲烷菌保存在反應器上，從而解決了產甲烷菌在消化過程中損失的問題。同時，結晶的磁性介質還可以作為電子導管促進種間電子轉移以及促進協同分解代謝，進一步提高甲烷產量。因此磁性生物炭的研究十分必要。
為了更好的了解磁性生物炭在改善甲烷產量以及保存產甲烷菌過程中的潛在作用，本研究采用相同的方法在四種不同前體濃度（FeCl3）下制備了磁性生物炭，通過實時定量PCR和高通量測序的方法，研究反應器和磁性生物炭中的微生物菌群。
2 研究方法
測序技術：Illumina MiSeq平臺
測序模式：細菌16S rRNA基因V4區和古菌V5V6區
實驗設計：
3 研究結果
3.1 生物炭的特征
根據X射線衍射法（XRD）分析表明，相比于100Fe，10Fe能更好的形成氧化鐵結晶體，也含有更多的磁性物質。而C和1Fe磁性生物炭中，明顯沒有觀察到結晶體。另外，由于100Fe和10Fe形成了磁性結晶體，含有更高的電子導電性。
隨著稻草中的FeCl3的增加，磁性生物炭的表面積和總孔隙的體積也在增加。然而發現平均孔徑在減小，這表明相比于C和1Fe生物炭，10Fe和100Fe有著更多的孔徑結構。
3.2 生物甲烷化的性能
對累積的特定甲烷生產、甲烷含量、甲烷日產率和Gompertz建模參數進行分析，結果表明四種處理在7天和16天左右，其累積甲烷產量的峰值達到最高。其中，與CK組比，10Fe處理的甲烷產量增加了11.49%，而C、1Fe和100Fe處理則分別下降了46.97%、42.21%和38.34%。這表明，C的添加對甲烷的生產并沒有積極的作用。
從圖1可以看出，五種處理下化學需氧量（COD）沒有明顯差異。但是從AD系統過程中產生的揮發性脂肪酸來看，所有處理組在1-7天內明顯下降。盡管揮發性脂肪酸的去除率高，但是生物炭處理組（除10Fe）的甲烷生產率依然很低。在消化的最末階段，100Fe含有可溶性Fe2+上升到585.7 mg/L，此時沼氣產量上升近50%。而Fe2+濃度升高可能是Fe3+和非結晶鐵氧化物還原所導致，這也可能是導致100 Fe生物炭甲烷產量性能低的原因。
圖1 生物甲烷化性能統計
3.3 AD系統中的微生物群落結構和動力學研究
對測序序列進行分析發現，古菌中超過95%都為產甲烷菌。而生物炭的添加未影響古菌的組成和豐度。所有處理中，Methanosarcina含量最高，其次為vadinCA11和Methanobacterium 。PCoA分析結果表明，雖然微生物菌群發生了變化，但是組間處理沒有明顯差異。
從所有處理組的門水平細菌分布情況可以看到，Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria豐度之和高達69%。與CK相比，添加生物炭的處理組中的Proteobacteria豐度更高，尤其是在100Fe-7 與C-16中，而Bacteroidetes的相對豐度較低。
圖2 AD系統中的微生物群落結構
為了進一步比較不同生物炭處理的樣品中微生物群落組成以及生物甲烷化性能，本研究繼續分析了科水平的微生物組成。分析發現，100Fe-7中，Alcaligenaceae相對豐度為34.7%，是所有處理中含量最高的。而Pseudomonadaceae在10Fe-7中是顯著增強的，在10Fe-16中Pseudomonadaceae卻有所下降。這種差異性可能是因為不同處理中微生物菌群的空間分布不同導致的。
圖3 科水平細菌分布熱圖
3.4 磁性生物炭上的微生物
利用磁鐵收集磁性生物炭，懸浮在液體上的微生物標位S，生物炭吸附的微生物標位A。只有10Fe和100Fe的磁性生物炭可以很容易收集，所以這部分的數據只顯示10Fe和100Fe。
圖4中古菌在屬水平的物種分布表明，10Fe和100Fe中古菌的組成和豐度是相似的。但是生物炭上吸附的產甲烷菌的含量在不同處理中是不同的。通過對mcrA做qPCR來定量產甲烷菌，發現磁性生物炭10Fe吸附了總mcrA的25.3%。作為對比，磁性生物炭100Fe中的mcrA顯著更低（13.8%）。說明添加磁性生物炭可以更好地解決產甲烷菌損失的問題。
對細菌門水平的物種組成進行分析，發現10Fe和100Fe中細菌的相對豐度有著明顯差異。還發現100FeA和100FeS中細菌豐度是相似的，但是10FeA和10FeS是顯著差異的。
圖4 10Fe和100Fe中古菌和細菌的物種空間分布及qPCR結果統計
4 總結
本研究發現磁性活性炭10Fe可以通過選擇性富集參與厭氧消化過程的功能細菌和產甲烷菌，顯著改善OFMSW泥漿AD系統中的甲烷產量，是解決厭氧消化系統中產甲烷菌損失問題的潛在方法。
參考文獻
Qin Y, Wang H, Li X, et al. Improving methane yield from organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) with magnetic rice-straw biochar.[J]. Bioresource Technology, 2017, 245(Pt A).
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852417315961
