2018-07-16
最近，派森诺生物再次与浙江大学合作，在《Bioresource Technology》（影响因子5.807）上发表文章，揭示磁性生物炭如何在厌氧消化系统中影响产甲烷菌。
1 研究背景
城市固体废弃物（MSW）的处理一直都是各个国家面临的老大难问题，其中主要成分是有机组分（OFMSW），包含有大量的容易发生生物降解的材料。目前对于OFMSW的处理，广泛采用的是厌氧消化系统（以下简称AD系统）。但是该系统不仅甲烷产生率低，系统也不稳定。之前有研究表明，在AD系统中添加生物炭能够提高甲烷的产生。然而，生物炭使用之后难以循环利用，导致AD系统的成本过高。为了解决这个问题，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质组成。它不仅能够很好的解决生物炭循环使用的问题，而且还使产甲烷菌保存在反应器上，从而解决了产甲烷菌在消化过程中损失的问题。同时，结晶的磁性介质还可以作为电子导管促进种间电子转移以及促进协同分解代谢，进一步提高甲烷产量。因此磁性生物炭的研究十分必要。
为了更好的了解磁性生物炭在改善甲烷产量以及保存产甲烷菌过程中的潜在作用，本研究采用相同的方法在四种不同前体浓度（FeCl3）下制备了磁性生物炭，通过实时定量PCR和高通量测序的方法，研究反应器和磁性生物炭中的微生物菌群。
2 研究方法
测序技术：Illumina MiSeq平台
测序模式：细菌16S rRNA基因V4区和古菌V5V6区
实验设计：
3 研究结果
3.1 生物炭的特征
根据X射线衍射法（XRD）分析表明，相比于100Fe，10Fe能更好的形成氧化铁结晶体，也含有更多的磁性物质。而C和1Fe磁性生物炭中，明显没有观察到结晶体。另外，由于100Fe和10Fe形成了磁性结晶体，含有更高的电子导电性。
随着稻草中的FeCl3的增加，磁性生物炭的表面积和总孔隙的体积也在增加。然而发现平均孔径在减小，这表明相比于C和1Fe生物炭，10Fe和100Fe有着更多的孔径结构。
3.2 生物甲烷化的性能
对累积的特定甲烷生产、甲烷含量、甲烷日产率和Gompertz建模参数进行分析，结果表明四种处理在7天和16天左右，其累积甲烷产量的峰值达到最高。其中，与CK组比，10Fe处理的甲烷产量增加了11.49%，而C、1Fe和100Fe处理则分别下降了46.97%、42.21%和38.34%。这表明，C的添加对甲烷的生产并没有积极的作用。
从图1可以看出，五种处理下化学需氧量（COD）没有明显差异。但是从AD系统过程中产生的挥发性脂肪酸来看，所有处理组在1-7天内明显下降。尽管挥发性脂肪酸的去除率高，但是生物炭处理组（除10Fe）的甲烷生产率依然很低。在消化的最末阶段，100Fe含有可溶性Fe2+上升到585.7 mg/L，此时沼气产量上升近50%。而Fe2+浓度升高可能是Fe3+和非结晶铁氧化物还原所导致，这也可能是导致100 Fe生物炭甲烷产量性能低的原因。
图1 生物甲烷化性能统计
3.3 AD系统中的微生物群落结构和动力学研究
对测序序列进行分析发现，古菌中超过95%都为产甲烷菌。而生物炭的添加未影响古菌的组成和丰度。所有处理中，Methanosarcina含量最高，其次为vadinCA11和Methanobacterium 。PCoA分析结果表明，虽然微生物菌群发生了变化，但是组间处理没有明显差异。
从所有处理组的门水平细菌分布情况可以看到，Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria丰度之和高达69%。与CK相比，添加生物炭的处理组中的Proteobacteria丰度更高，尤其是在100Fe-7 与C-16中，而Bacteroidetes的相对丰度较低。
图2 AD系统中的微生物群落结构
为了进一步比较不同生物炭处理的样品中微生物群落组成以及生物甲烷化性能，本研究继续分析了科水平的微生物组成。分析发现，100Fe-7中，Alcaligenaceae相对丰度为34.7%，是所有处理中含量最高的。而Pseudomonadaceae在10Fe-7中是显著增强的，在10Fe-16中Pseudomonadaceae却有所下降。这种差异性可能是因为不同处理中微生物菌群的空间分布不同导致的。
图3 科水平细菌分布热图
3.4 磁性生物炭上的微生物
利用磁铁收集磁性生物炭，悬浮在液体上的微生物标位S，生物炭吸附的微生物标位A。只有10Fe和100Fe的磁性生物炭可以很容易收集，所以这部分的数据只显示10Fe和100Fe。
图4中古菌在属水平的物种分布表明，10Fe和100Fe中古菌的组成和丰度是相似的。但是生物炭上吸附的产甲烷菌的含量在不同处理中是不同的。通过对mcrA做qPCR来定量产甲烷菌，发现磁性生物炭10Fe吸附了总mcrA的25.3%。作为对比，磁性生物炭100Fe中的mcrA显著更低（13.8%）。说明添加磁性生物炭可以更好地解决产甲烷菌损失的问题。
对细菌门水平的物种组成进行分析，发现10Fe和100Fe中细菌的相对丰度有着明显差异。还发现100FeA和100FeS中细菌丰度是相似的，但是10FeA和10FeS是显著差异的。
图4 10Fe和100Fe中古菌和细菌的物种空间分布及qPCR结果统计
4 总结
本研究发现磁性活性炭10Fe可以通过选择性富集参与厌氧消化过程的功能细菌和产甲烷菌，显著改善OFMSW泥浆AD系统中的甲烷产量，是解决厌氧消化系统中产甲烷菌损失问题的潜在方法。
参考文献
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).
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852417315961
