微量元素對沼氣厭氧發酵的影響

劉傳國

摘要： 厭氧發酵技術可以有效地處理有機廢物，同時產生清潔能源—甲烷。厭氧發酵的效率和穩定性受多種因素的影響，其中微量元素的缺乏可能導致有機物的不完全降解和系統運行不穩定等。微量元素不僅涉及厭氧微生物的合成，還涉及厭氧發酵甲烷生產過程中各種酶系統的合成和活化。缺乏對厭氧發酵中微量元素需求的理解阻礙了厭氧生物技術的應用和發展。同時，微量元素對維持沼氣工程的高效穩定運行起著重要作用。

關鍵詞：微量元素;沼氣;厭氧發酵;影響

1 微量元素對厭氧發酵過程的調控作用

1.1 微量元素在厭氧發酵中的生物效應

微量元素在厭氧發酵過程中的促進或抑制效應一直是科研人員所關注的問題。厭氧發酵中的微生物生長繁殖除了C、N、P和S等營養元素外，微量元素也是生命所必不可少的營養。微量元素對厭氧發酵的重要性主要體現在其常常作為輔酶、輔基、輔因子的成分出現在厭氧發酵微生物的酶系統中，并且對厭氧發酵的產甲烷階段起著重要調控作用。

1.2 產甲烷菌的微量元素需求

產甲烷菌的物質代謝和能量代謝都需要微量元素的參與，如微量元素 Fe參與產甲烷菌體內細胞色素、細胞氧化酶的合成，還是胞內氧化還原反應的電子載體。產甲烷菌生長所需要的微量元素的量非常少，但微量元素的缺乏卻能夠導致生物活力下降，進而影響整個厭氧反應器的運行效果和穩定性。

1.3 微量元素對甲烷生物合成的影響

目前，發現的甲烷生物合成過程有3種途徑：第1種途徑為以乙酸為原料的甲烷生物合成，第2種為以H2、CO2為原料的甲烷生物合成，第3種是以甲基化合物為原料的甲烷生物合成過程，如：甲醇、甲基胺、甲基硫等;3種途徑最終都形成甲基輔酶，甲基輔酶在甲基輔酶還原酶催化下最終形成甲烷。其中3種途徑中，以乙酸為底物的甲烷合成占自然界甲烷合成的70%左右，以H2、CO2為底物合成的甲烷約占總量的30%，而以甲基化合物合成的甲烷量很少。

在甲烷合成的途徑中，涉及多種酶、輔酶的催化作用，這些酶、輔酶大都含有Fe、Co、Ni、Zn、Mo、W 等金屬元素。甲烷生物合成中的輔酶M甲基轉移酶是一種含Co的金屬酶;催化以乙酸為底物合成甲烷的關鍵酶為一氧化碳脫氫酶，一氧化碳脫氫酶分為2大類：存在于需氧微生物中的 Mo-Fe-黃素酶類和存在于厭氧微生物中的Ni-Fe酶類，因此，CODH在厭氧和好氧2種條件下都能起到一定的催化作用，在這2類金屬酶中，位于活性位點起關鍵作用的金屬分別是 Mo和Ni。由此可見，CODH是一個含有Fe、Co、Ni、Mo的金屬酶，CODH除催化乙酸合成甲烷外，也能夠催化同型產乙酸菌利用H2和CO2合成乙酸的反應。催化CO2合成甲烷的甲?；谆秽摎涿?、氫化酶分別是含Mo和Fe/Ni的金屬酶，除甲烷的生物合成中的酶系統需要微量元素外，產甲烷菌中還含有許多由Fe2+、Co2+等金屬離子組成的供無機物進入細胞的離子通道。

2 微量元素對厭氧產甲烷過程的協同促進作用

2.1 單一元素在厭氧消化中的促進作用

2.1.1 Fe元素在厭氧消化中的應用研究

Fe元素是產甲烷菌生長所必須的元素之一，其對厭氧發酵的影響得到了廣泛的關注。在利用上流式厭氧污泥床反應器處理有機廢水的研究中添加適量的Fe元素，顯著提高了反應器的有機負荷承載力，反應器中顆粒污泥的形成速率、污泥的沉降速率和顆粒污泥的產甲烷活性。除此之外，Fe元素對高固體有機廢棄物厭氧消化的作用也不容忽視，添加Fe元素在一定程度上加快了厭氧消化速率，降低了物料厭氧消化的水力停留時間。Fe元素的添加能顯著提高消化系統的消化性能和甲烷產率，主要是因為Fe的補充促進了揮發性脂肪酸的產生和提高了甲烷菌對乙酸的利用率，同時反應基質中有硫酸鹽存在時，添加Fe能夠消除由硫酸鹽還原引起的硫化物對產甲烷菌的抑制作用。

2.1.2 Co元素在厭氧消化中的應用研究

微量元素Co的存在能夠促進酶的合成或激活在生化反應中起催化作用的酶。相反，Co元素的缺乏不僅對微生物的生長不利，而且會影響細菌的活力，并影響整個反應器的運行效果和穩定性。Co在厭氧消化中的作用近幾年得到了廣泛研究，如在高溫（55℃）上流式厭氧污泥床反應器處理甲醇廢水的厭氧消化系統中去除元素Co引起了產乙酸菌活性的降低，然而補加29.5 μg/L Co后又恢復了產乙酸菌的活性;通過添加Co元素能使中溫（30±2）℃ UASB甲醇厭氧消化系統在 8 000 mg COD/（L·d）的高有機負荷下穩定運行，且化學需氧量去除率可達87%。

2.1.3 其他金屬元素在厭氧消化中的應用研究

除 Fe、Co等微量元素外，一些文獻也報道了其他金屬離子在厭氧消化中的應用效果。如MgSO4對萵筍皮和馬鈴薯皮厭氧消化的影響，研究表明添加300和100 mg/L MgSO4使萵筍皮和馬鈴薯皮沼氣產量分別提高了71.4%和41.6%。在牛糞、水牛糞、駱駝糞和馬糞的發酵系統中，添加150 mg/L Mg顯著提高了沼氣產氣量，這與上述研究結果相符合。這可能是因為Mg2+改善了細菌的細胞通透性，促進了部分特殊水解酶的分泌，進而促進了厭氧消化效率。

Ca是某些產甲烷菌生長的關鍵成分，對微生物聚集體（顆粒污泥和生物膜）的形成也很重要，因此在生物膜反應器中，當 Ca2+質量濃度低于120 mg/L時，Ca2+的加入能加速生物膜形成;當Ca2+質量濃度超過120 mg/L時，礦物質累積和生物膜含水率的下降會抑制細胞的代謝。

2.2 多元素在厭氧消化中的協同促進作用

微量元素在促進微生物的新陳代謝中的作用往往并非孤立的，研究指出對于Fe、Co、Ni、Mo、Se等元素而言，缺乏某一種元素，甲烷發酵仍會進行，但速率會降低;根據產甲烷菌對不同微量元素的營養需求順序，當Co的含量不足時，Ni就不能表現激活作用;因此表明Fe、Co、Ni、Mo、Se等元素間的協同作用為維持高效的甲烷發酵有重要作用。不同微量元素對某一發酵原料的作用效果可能不同。在不同底物厭氧消化系統中，各微量元素并非獨自發揮特有的金屬特性，不同微量元素之間存在協同促進效應。

3 結語

微量元素對甲烷發酵的重要作用不容忽視，在溫度、pH、水力停留時間等因素和運行正常的條件下，若產甲烷過程不穩定或產氣量下降，微量元素的缺乏是首要檢查的因素。微量金屬元素不能解決厭氧處理運行中所有的難題，但是提高微量金屬元素的生物有效度可以解決大部分運行問題，保證厭氧消化的長期穩定運行。

參考文獻：

[1]胡慶昊.鎳及其螯合物對甲烷發酵的影響及機理研究[D].無錫，江南大學，2008.

[2]李亞新，董春娟.激活甲烷菌的微量元素及其補充量的確定[J].環境污染與防治，2001，23（3）：116-118.

（作者單位：青島天人環境股份有限公司）