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(jìn)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(fèi)。秸稈中蘊(yùn)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(shí)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(huì)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(jià)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(jìn)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(gè)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(shí)驗(yàn)及微生物群落分析驗(yàn)證了該假說并闡明了其生物及非生物機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)的機(jī)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(jìn)一步分析并揭示了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的兩個(gè)矛盾現(xiàn)象內(nèi)在機(jī)理，為該技術(shù)的規(guī)?；瘧?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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目、中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)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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