活性炭對秸稈厭氧消化系統(tǒng)生物和非生物影響研究獲進展
我國是秸稈大國。秸稈的資源化利用技術(shù)不斷發(fā)展，仍有大量的秸稈廢棄物被就地焚燒、填埋。粗放處理方式造成環(huán)境污染，導(dǎo)致生物質(zhì)資源浪費。秸稈中蘊含著大量可被轉(zhuǎn)化的生物質(zhì)（半纖維素、纖維素等），經(jīng)厭氧消化后可轉(zhuǎn)化為生物天然氣，實現(xiàn)秸稈的 “變廢為寶”。
然而，秸稈厭氧消化系統(tǒng)甲烷產(chǎn)率較低長期以來是制約該技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的重要因素。近來，一些研究發(fā)現(xiàn)活性炭的添加可以顯著提升厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能，且在廢水、餐廚、果蔬垃圾的處理中均取得成功應(yīng)用。但有一些研究提出活性炭的添加反而會抑制甲烷的生成。
為全面探究活性炭對秸稈厭氧消化系統(tǒng)的影響，中國科學(xué)院成都生物研究所博士研究生解智杰在研究員李東的指導(dǎo)下，分別構(gòu)建了中溫和高溫兩套秸稈厭氧消化系統(tǒng)，并綜合評價了活性炭對不同系統(tǒng)的生物和非生物影響。結(jié)果顯示，相同劑量的活性炭（10g/L）在不同溫度下對秸稈厭氧消化系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)率產(chǎn)生了不同影響。高溫條件下，活性炭的存在促進了秸稈的降解，并提高了系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)率；中溫條件下，添加活性炭雖然使秸稈的降解率提高了6.48%，卻使系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)率降低了8.16%。研究針對“相同劑量活性炭在不同溫度下產(chǎn)生了不同作用效果”以及“中溫系統(tǒng)秸稈降解率提高但甲烷產(chǎn)率降低”這兩個矛盾現(xiàn)象，提出了“中溫條件下活性炭對碳源物質(zhì)的吸附是造成系統(tǒng)甲烷產(chǎn)率降低的重要原因”這一科學(xué)假說。脫附實驗及微生物群落分析驗證了該假說并闡明了其生物及非生物機理。研究表明，中溫系統(tǒng)中活性炭對碳源（CO2、揮發(fā)性脂肪酸）物質(zhì)的吸附使氫型產(chǎn)甲烷菌的底物顯著減少，進而使得系統(tǒng)產(chǎn)甲烷代謝通路發(fā)生了顯著變化。此外，活性炭在中溫條件下對Bathyarchaeia（可利用甲烷進行產(chǎn)能代謝）的誘導(dǎo)也是系統(tǒng)甲烷產(chǎn)率降低的重要原因。而同樣劑量活性炭對高溫系統(tǒng)產(chǎn)氣表現(xiàn)出促進的機理在于：活性炭在高溫條件下吸附能力較弱，未誘導(dǎo)產(chǎn)生Bathyarchaeia以及更加集中的碳代謝流向甲烷。該研究綜合評估了活性炭對不同溫度下秸稈厭氧消化過程的影響，進一步分析并揭示了實驗中出現(xiàn)的兩個矛盾現(xiàn)象內(nèi)在機理，為該技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支撐。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Bioresource Technology上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、四川省科技計劃項目、中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃、中科院青年創(chuàng)新促進會等的支持。
活性炭對秸稈厭氧消化系統(tǒng)的生物和非生物影響
來源：中國科學(xué)院成都生物研究所
本文作者：董帝豪
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