生物質固體廢物厭氧發酵過程中HS對產CH4作用研究進展

楊天學,李英軍,趙 穎,張列宇,黃彩紅,李東陽,余 紅,李 琦,席北斗*

生物質固體廢物厭氧發酵過程中HS對產CH4作用研究進展

楊天學1,李英軍2,趙 穎1,張列宇1,黃彩紅1,李東陽1,余 紅1,李 琦1,席北斗1*

(1.中國環境科學研究院,北京 100012；2.北京農業職業學院,北京 100012)

針對生物質固體廢物量大面廣,具有污染和資源利用雙重特性,厭氧發酵能源化可促進其污染控制,且過程中部分有機成分在微生物作用下轉化成腐殖質(HS).通過分析厭氧發酵過程中HS轉化規律、HS結構特征與氧化還原性能、腐殖質還原菌與產甲烷菌活性、產CH4效率之間的響應關系和作用機制研究進展,總結凝練出生物質厭氧發酵系統內HS對CH4的調控原理,為減少厭氧發酵系統內HS對產CH4途徑的抑制作用,提高發酵效率的技術研究提供理論支撐.

腐殖質；生物質；厭氧發酵；CH4；抑制作用

生物質固體廢物主要包括城市生物質廢物(家庭廚余垃圾、餐廚垃圾、城市糞便以及城鎮污泥等)、農作物廢物(玉米秸、麥秸和稻秸等)、禽畜糞便.最新統計數據顯示,我國僅農作物廢物年均產量為 6.88×108t,資源能源總量為8.89×1015kJ,相當于3.04× 108t標準煤[1].生物質固體廢物具有污染和資源再生利用雙重特性,大量生物質隨意堆放或露天焚燒,不僅造成資源浪費,也對環境造成影響,但通過強化能源化和資源化利用,可促進其污染控制.厭氧發酵產沼獲取生物能源是促進生物質固體廢物由污染特性向資源能源化轉變的重要途徑之一[1],該方法使生物質固體廢物在受控條件下進行生物發酵,產生沼氣能源和有機肥料[4],發酵過程中不需要供應氧氣和能源[5].

腐殖質(HS)是動植物殘體通過復雜的生物、化學作用形成的,廣泛存在于厭氧環境中,目前已經在河湖底泥、海洋沉積物、市政污泥、生活垃圾填埋場等厭氧環境中發現了HS[6].

在開展人工控制厭氧產沼實驗中也檢測到了HS,李懷[7]在利用厭氧序批式反應器處理污泥時,通過對胞外聚合物成分分析發現,HS為胞外聚合物的主要成分之一,含量處于50~70mg/L.在高含固生物質干式厭氧發酵系統內也檢測到HS,本研究團隊通過三維熒光光譜檢測發現,秸稈干式厭氧發酵系統內存在HS,且其結構逐漸向復雜化轉變[8];祝其麗等[9]通過紅外光譜儀對牛糞干式厭氧發酵基質進行特征分析發現,厭氧發酵90d后HS含量達到17%左右.

本文首先簡要介紹了HS形成機理與結構特征,然后詳細綜述了近年來關于HS氧化還原特性,以及在厭氧條件下HS對產CH4效率的抑制作用、腐殖質還原微生物等領域的研究進展及存在的問題,并指出未來厭氧發酵體系內HS對產甲烷途徑影響的重點研究方向.

1 HS形成機理及結構特征

HS形成是一個非常復雜的過程,目前關于其形成方式主要有植物轉化、化學聚合、細胞自溶和微生物合成4種假說[10],其中植物轉化假說從相對宏觀的角度,分析了HS的來源,提出HS由植物殘體中不為微生物分解的組分轉化而來;化學聚合假說則從化學合成的角度,提出HS是復雜有機物經微生物作用后部分礦化,再經氧化和縮合等作用形成單體HS,最終形成高分子HS;細胞自溶假說則從細胞學的層面,認為HS由微生物自溶后的產物經過縮合和聚合后形成;微生物合成假說提出微生物在體內合成HS,死亡后將HS自溶析出.雖然目前仍無法確定哪種猜測最好,但都具有一定的科學性,只是分析的角度與層面不同,也可能是4種過程同時進行而形成HS.

圖1 HS結構示意

通過對HS組成研究發現,HS元素組成主要為C、H、O、N和S,相對分子量從幾千至幾十萬不等,C/H在90~15,含碳(45%~70%)、氫(2%~6%)、氧(30%~50%)和氮(1%~6%)[11].HS的內在結構一直為研究熱點和難點,早期研究構建的HS分子模型主要有Flaig(1960)的HS模型、Stevenson(1982)的HS模型以及Schnitzer和Khan(1972)的FA模型[12],但由于HS的復雜性和非均勻性,對其結構的認識尚未形成統一意見,仍需不斷深化.隨著現代儀器分析手段的快速提高,通過大量質譜分析、熱裂解、傅里葉紅外光譜分析、氧化還原、掃描電鏡等其他化學分析手段,逐漸建立了HS大分子的結構模型(圖1)[13],該模型認為HS含有大量羧基、羥基、羰基、胺基等功能組分,其中以羧基和酚羥基最重要,許多絡合物常由這兩種功能基配合進行;HS不僅含有大量的苯環、稠苯環和多種雜環,各環之間通過橋鍵作用相連,且在各種環和支鏈上還有羧基、醇基、酚羥基、酮基、甲氧基、胺基等官能團[14],這些基團使HS具有酸性以及較強的離子交換、吸附和絡合等能力[15].

2 HS氧化還原能力及機理

HS分子為高分子化合物,由于其具有還原能力,近年來受到眾多學者的關注.研究發現,醌、酚等官能團是HS具有還原性的重要原因[16-17],尤其是醌基團在電子傳遞中起到了重要作用[18-19],還原態醌基是HS還原能力的主要來源[20-21],在甘油醛降解過程中, HS醌基作為電子受體,加速了甘油醛-3P→d-甘油酸1,3-二磷酸酯和丙酮酸酯→乙酰輔酶A的生物氧化反應進程[22].機理研究發現,HS氧化還原過程是還原態HS將電子轉移給目標物使之還原,還原態的HS重新轉化為氧化態(圖2).基于這一機制,眾多研究人員開展了HS還原重金屬和有機物的研究,結果表明,HS先與Fe3+/Fe2+形成配合物,使Fe3+/Fe2+氧化還原電位降低,加速了其還原速率,從而直接將Fe3+還原為Fe2+[23],隨后HS與Fe2+緊密結合形成HS-Fe2+配合物[24],對更多無機和有機污染物具有還原作用,如在HS和溴酸鹽體系中添加Fe3+可以形成HS-Fe3+,促進對溴酸鹽的還原作用.另外,HS也能作為還原劑將高毒性的Cr6+還原成低毒性的Cr3+[25].另有研究結果表明,HS不僅在好氧狀態下具有還原特性,在厭氧條件下還原性能更佳[26],基于這一發現,Sundman等[27]研究發現HS可以提高Fe3+還原效率,且厭氧環境中HSox/HSred周轉加速[28].

圖2 HS還原氧化物電子傳遞原理

通過對HS氧化還原過程機理研究表明,在發揮氧化還原作用時,通過電子穿梭作用, HSox先接受由電子供體傳遞來的電子被還原為HSred,隨后通過傳遞作用,HSred將電子傳遞給電子受體,自身又被氧化成HSox,從而構成完整的氧化還原循環(圖3)[29-30].Roden等[30]研究發現在添加有Fe3+和含HS的沉積物系統內,電子供體將電子轉移給沉積物的固相HS,固相HS通過將電子從細菌穿梭到氧化物表面,從而加速了Fe3+還原;黨巖等[31]研究發現垃圾滲濾液中富里酸作為電子穿梭體,加速Fe3+還原菌向FeO(OH)傳遞電子的效率,隨后由于富里酸中氧化態醌結構與還原態對苯二酚發生可逆電子傳遞循環轉化,實現了富里酸的還原.

HS電子穿梭能力受體系內氧化還原電位的影響,楊湞等[32]發現厭氧體系內氧化還原電位為-0.4meq/L時,HS將自身電子傳遞給Fe3+,發揮還原作用將Fe3+還原,隨后當體系內氧化還原電位上升為1.0meq/L時,HS又發揮氧化作用,從Fe2+中得到電子,并將其氧化,體現HS雙向的氧化性和還原性; Miller等研究發現當厭氧發酵體系內氧化還原電位由16.5mV下降到-161.6mV后,HS也由先供給電子到再失去電子轉變[33].

圖3 HS氧化還原循環示意

3 HS對產甲烷的影響

3.1 HS對產甲烷效率的影響

有學者報道,在淹水土壤、水體沉積物等厭氧環境中,當HS存在時,產CH4過程受到抑制[34].為了證實這一發現,近年來,部分學者開展了HS抑制產CH4的模擬實驗[35],結果發現HS的添加會降低CH4產率,添加70mg/L的HS厭氧發酵12h后,產CH4速率降低了42%[36];Minderlein等[37]在開展厭氧條件下泥炭釋放CH4實驗中,發現水溶性有機物(DOM)對產甲烷具有抑制作用,當DOM濃度為201mg/L時,DOM能使甲烷產量降低65%~75%以上.

進一步研究發現,HS來源和含量均影響其對產CH4抑制作用的大小.Keller等發現濕地中HS對產CH4具有強烈抑制作用,且不同濕地來源HS對CH4的抑制作用不相同[38-39];在HS含量對產CH4抑制作用影響方面,Ho等在開展嗜熱厭氧菌厭氧消化養豬場廢水實驗中,當HS濃度為1g/L和5g/L時,HS對產CH4基本沒影響,但當HS濃度達到10g/L時,抑制作用明顯,CH4產量降低了80%以上[40];任冰倩在開展HS抑制厭氧產沼實驗中發現,當系統內HS濃度低于250mg/gVSS時,隨著HS濃度升高,CH4減少量增大,當HS濃度增大到350mg/g VSS時,抑制作用最為明顯,CH4產量降低了11%[41].

3.2 腐殖質呼吸及其還原菌

腐殖質呼吸(Humus respiration)是近年來發現的微生物厭氧呼吸新模式,即具有HS還原能力的腐殖質還原菌通過氧化電子供體,偶聯HS還原的過程(圖4)[42].研究發現,腐殖質呼吸過程是通過腐殖質還原菌的作用來實現的,Szilagyi等[43]早在1971年已發現微生物可以提高HS將Fe3+還原為 Fe2+的效果,微生物存在時,HS對U(Ⅵ)的還原能力也有所提高.

為了探明厭氧環境能夠提高HS還原能力的機理,部分學者開展了研究,結果發現土壤、底泥等厭氧環境中的HS還原菌是主要作用的微生物[44],且底泥沉積環境與地下厭氧環境中普遍存在的腐殖質還原混合菌可以對HS進行還原.Scott等[45]的進一步研究發現,不同來源的HS都有從HS還原微生物處得到電子的能力,還原微生物還原HS時以HS中的醌作為電子受體,產生半醌自由基.另有研究報道認為,還原態的HS可以在厭氧條件下經腐殖質還原菌將電子傳遞給NO3-、Fe3+等其他電子受體,從而提高HS的還原性能[46].

圖4 腐殖質還原菌還原腐殖質示意

3.3 HS還原菌對產CH4的抑制作用

厭氧消化過程一般分為水解、酸化、產氫產乙酸和產CH4四個階段,乙酸是產CH4的直接前體,其累積與消耗對CH4產生具有至關重要的作用(圖5)[47].有研究表明,腐殖質呼吸與產CH4作用存在著生物代謝競爭作用,且腐殖質還原菌相對于產甲烷菌更具底物競爭優勢,HSox/HSred作為電子穿梭體偶聯其他呼吸過程(如O2呼吸、NO3-呼吸),使產CH4直接前體大量消耗,從而抑制CH4生成[48].其反應過程是HS氧化還原乙酸等小分子化合物作為電子供體,使HSox被還原為HSred[49-50].其中腐殖質還原菌活性與HS的還原能力有關,進而影響到CH4產生效率,而HS的還原能力與其自身結構有很大關系,不同來源的HS對產CH4過程的抑制效果是不一致的[51]. Khadem等[52]在開展HS對產甲烷菌活性的實驗中,發現當HS濃度為1kg/m3,所有的氫營養型甲烷菌體系中甲烷產量均降低了75%以上,而乙酸分解型產甲烷菌體系中產甲烷則被完全抑制.Ye等[53]在研究HS類似物蒽醌-2,6-二磺酸鹽(AQDS)對厭氧消化的影響實驗中,發現AQDS對發酵具有抑制作用,使乙酸,二氧化碳,氫,CH4分別減少 98%,49%,90%和86%以上.

圖5 腐殖質呼吸過程利用乙酸作為電子供體

圖6 微生物耦合還原腐殖質和產甲烷示意

部分對腐殖質還原菌的研究結果表明,絕大多數的腐殖質還原菌屬于中的Fe(Ⅲ)還原菌,能耦合氧化乙酸鹽呼吸生長(圖6).早在20世紀就有研究發現,產甲烷菌也具有還原HS的能力,如產CH4古細菌()能還原HS,但不能耦合生長[54];如Benze等[55]發現在厭氧條件下不僅能產CH4,還能氧化還原HS[55].許多能利用氫氣的產甲烷古菌,具有還原HS的能力,Lovley等[54]發現,產CH4古細菌和在厭氧條件下不僅能產CH4,在氫氣作為電子供體的情況下能氧化還原HS.我國也有研究人員在研究水稻土厭氧環境,發現在水稻土厭氧環境中不僅能促進CH4積累,還能氧化還原HS類模擬物AQDS,且能耦合呼吸生長[56].

4 展望

基于HS在厭氧條件下能夠發揮還原性能,自身被氧化后可通過腐殖質還原菌的呼吸作用實現還原,但過程中需要消耗產CH4的重要前體物乙酸作為電子供體,同時部分微生物兼有還原HS和產CH4的雙重功能等研究進展,可以以腐殖質還原菌為“紐帶”,將“腐殖質呼吸”與“產甲烷過程”聯系起來,開展“腐殖質呼吸與產CH4過程耦合機制”研究(圖7).同時針對干式厭氧發酵產生的HS濃度高于濕式厭氧發酵,但有關生物質干式厭氧發酵過程中HS對產CH4的影響尚未見報,重點開展干發酵過程中HS轉化規律、HS結構特征與氧化還原性能、腐殖質還原菌與產甲烷菌活性、產CH4效率之間的響應關系和作用機制等研究,闡明生物質干式厭氧發酵系統內HS抑制產CH4的調控原理,為減少厭氧發酵系統內HS對產CH4途徑的抑制作用,提高發酵效率的技術研究提供理論支撐.

圖7 腐殖質呼吸與產甲烷過程的耦合機制

5 結論

5.1 HS由于含有酚羥基、羧基、醇羥基、烯醇基、磺酸基、取代氨基、醌基、羰基、甲氧基等多種基團,使其不僅具有較強的配合和吸附能力,同時具有還原性,可通過氧化還原過程促進污染物降解,過程中HS通過電子穿梭作用,首先接受由電子供體傳遞來的電子,使HSox還原為HSred,隨后通過傳遞作用,HSred將電子傳遞給電子受體,自身又由被氧化成HSox,從而構成完整的HS循環.

5.2 HS不僅在好氧狀態下具有還原特性,在厭氧條件下還原性能更佳,而生物質厭氧發酵過程中,相關成分在微生物作用下轉化成HS,隨后通過腐殖質呼吸作用,發揮其氧化還原作用.

5.3 腐殖質呼吸與產CH4作用存在著生物代謝競爭作用,且腐殖質還原菌相對于產甲烷菌更具底物競爭優勢,有些產甲烷菌也具有還原HS的能力,當HS存在時,腐殖質通過呼吸作用,使產CH4直接前體大量消耗,從而抑制CH4生成,其反應過程是HS氧化還原乙酸等小分子化合物作為電子供體,使HSox被還原為HSred.

[1] 曹志宏,黃艷麗,郝晉珉.中國作物秸稈資源利用潛力的多適宜性綜合評價[J]. 環境科學研究, 2018,31(1):179-186.

[2] Azeem K, Muhammad A, Muzammil A, et al. The anaerobic digestion of solid organic waste [J]. Waste Management, 2011,31:1737-1744.

[3] Yang T X, Li Y J, Gao J X, et al. Performance of dry anaerobic technology in the co-digestion of rural organic solid wastes in China [J]. Energy, 2015,93:2497-2502.

[4] Jingura R M, Matengaifa R. Optimization of biogas production by anaerobic digestion for sustainable energy development in Zimbabwe [J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2009,13(5):1116- 1120.

[5] Chanakya H N, Ramachandra T, Guruprasad V, et al. Micro-treatment options for components of organic fraction of MSW in residential areas [J]. Environmental Montoring and Assessment, 2007,135(1-3): 129-139.

[6] Mayumi H, Katsumi S, Motoyuki M. Reduction process of Cr (VI) by Fe(II) and humic acid analyzed using high time resolution XAFS analysis [J]. Journal of Hazardous Materials, 2015,285:140-147.

[7] 李 懷. ASBR處理水熱改性污泥的微生物學特性研究 [D]. 西安:長安大學, 2008.

[8] 楊天學.玉米秸稈干式厭氧發酵轉化機理及微生物演替規律研究[D]. 武漢:武漢大學, 2014.

[9] 祝其麗,潘 科,湯曉玉,等.牛糞批次干發酵過程中腐植酸的變化趨勢初探 [J]. 中國沼氣, 2014,32(5):7-11+16.

[10] 宋海燕,尹友誼,宋建中.不同來源腐殖酸的化學組成與結構研究 [J]. 華南師范大學學報:自然科學版, 2009,(1):61-66.

[11] Gu B, Chen J. Enhanced microbial reduction of Cr(VI) and U(VI) by different natural organic matter fractions [J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2003,67(19):3575-3582.

[12] 彭國棟.腐殖酸對土壤汞形態分配及生物有效性的調控作用及機理研究 [D]. 重慶:西南大學, 2012.

[13] Bolton K A, Sj?berg S, Evans L J. Proton Binding and Cadmium Complexation Constants for a Soil Humic Acid Using a Quasi-particle Model [J]. Soil Science Society of America Journal, 1996,60(4): 1064-1072.

[14] 蔡茜茜,袁 勇,胡 佩,等.腐殖質電化學特性及其介導的胞外電子傳遞研究進展 [J]. 應用與環境生物學報, 2015,21(6):996-1002.

[15] 金鵬康.腐殖酸混凝的化學成因、形態學特征及動力學研究[D]. 西安:西安建筑科技大學, 2003.

[16] Cervantes F J , Claudia M. Martínez, Gonzalezestrella J , et al. Kinetics during the redox biotransformation of pollutants mediated by immobilized and soluble humic acids [J]. Applied Microbiology & Biotechnology, 2013,97(6):2671-2679.

[17] Yuan Y, Xi B, He X, et al. Compost-derived humic acids as regulators for reductive degradation of nitrobenzene [J]. Journal of Hazardous Materials, 2017,339:378-384.

[18] Hernández-Montoya V, Alvarez L H, Montes-Morán M A, et al. Reduction of quinone and non-quinone redox functional groups in different humic acid samples by Geobacter sulfurreducens [J]. Geoderma, 2012,183-184:25-31.

[19] Kim K M, Lee Y, Park J H, et al. Supercapacitive Properties of Composite Electrode Consisting of Activated Carbon and Di (1-aminopyrene) quinone [J]. Etri Journal, 2016,38(2):252-259

[20] Jiang T, Skyllberg U, Wei S, et al. Modeling of the structure-specific kinetics of abiotic, dark reduction of Hg(II) complexed by O/N and S functional groups in humic acids while accounting for time-dependent structural rearrangement [J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2015, 154:151-167.

[21] Wang F, Shih K, Leckie J O. Effect of humic acid on the sorption of perfluorooctane sulfonate (PFOS) and perfluorobutane sulfonate (PFBS) on boehmite [J]. Chemosphere, 2015,118:213-218.

[22] Liu K, Chen Y, Xiao N, et al. Effect of humic acids with different characteristics on fermentative short-chain fatty acids production from waste activated sludge [J]. Environmental Science & Technology, 2015,49(8):4929.

[23] Claudio C, Giuseppe P, Vincenzo M S, et al. Stability of coprecipitated natural humic acid and ferrous iron under oxidative conditions [J]. Geochemical Exploration, 2015,151(4):50-56.

[24] Ortega-Gómez E, Martín M M B, Carratalà A, et al. Principal parameters affecting virus inactivation by the solar photo-Fenton process at neutral pH and μM concentrations of H2O2and Fe2+/3+[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2015,174:395-402.

[25] Romo-Rodríguez P, Acevedo-Aguilar F J, Lopez-Torres A, et al. Cr (VI) reduction by gluconolactone and hydrogen peroxide, the reaction products of fungal glucose oxidase: Cooperative interaction with organic acids in the biotransformation of Cr (VI) [J]. Chemosphere, 2015,134:563-570.

[26] Castro L, Garcia-Balboa C, Felisa G, et al. Effectiveness of anaerobic iron bio-reduction of jarosite and the;influence of humic substances [J]. Hydrometallurgy, 2013,131(1):29-33.

[27] Sundman A, Byrne J M, Bauer I, et al. Interactions between magnetite and humic substances: redox reactions and dissolution processes [J]. Geochemical Transactions, 2017,18(1):6.

[28] Zhen G, Lu X, Wang B, et al. Synergetic pretreatment of waste activated sludge by Fe(II)-activated persulfate oxidation under mild temperature for enhanced dewaterability [J]. Bioresource Technology, 2012,124(9):29-36.

[29] Schmeide K, Sachs S, Bernhard G. Np(V) reduction by humic acid: contribution of reduced sulfur functionalities to the redox behavior of humic acid [J]. Science of the Total Environment, 2012,419(3):116- 123.

[30] Roden E E, Kappler A, Bauer I, et al. Extracellular electron transfer through microbial reduction of solid-phase humic substances [J]. Nature Geoscience, 2010,3(6):417-421.

[31] 黨 巖.垃圾焚燒廠滲瀝液中富里酸對厭氧生物處理的影響及其降解和轉化研究 [D]. 北京:北京林業大學, 2016.

[32] 楊 湞.腐殖酸大小分子氧化還原能力及其氧化還原官能團的分布研究 [D]. 北京:北京林業大學, 2016.

[33] Miller K E, Lai C T, Friedman E S, et al. Methane suppression by iron and humic acids in soils of the Arctic Coastal Plain [J]. Soil Biology & Biochemistry, 2015,83:176-183.

[34] Kulikowska D. Kinetic of organic matter degradation and humification progress during sewage sludge composting in two-stage system [J]. Journal of Biotechnology, 2010,150(1):283.

[35] Yap S D, Astals S, Lu Y, et al.Humic acid inhibition of hydrolysis and methanogenesis with different anaerobic inocula [J]. Waste Management, 2018,80:130–136.

[36] Blodau C, Deppe M. Humic acid addition lowers methane release in peats of the Mer Bleue bog, Canada [J]. Soil Biology & Biochemistry, 2012,52(3):96-98.

[37] Minderlein S, Blodau C. Humic-rich peat extracts inhibit sulfate reduction, methanogenesis, and anaerobic respiration but not acetogenesis in peat soils of a temperate bog [J]. Soil Biology & Biochemistry, 2010,42(12):2078-2086.

[38] Keller J K, Weisenhorn P B, Megonigal J P. Humic acids as electron acceptors in wetland decomposition [J]. Soil Biology & Biochemistry, 2009,41(7):1518-1522.

[39] Tan W, Jia Y, Huang C, et al. Increased suppression of methane production by humic substances in response to warming in anoxic environments [J]. Journal of Environmental Management, 2018, 206:602-606.

[40] Ho L, Ho G. Mitigating ammonia inhibition of thermophilic anaerobic treatment of digested piggery wastewater: use of pH reduction, zeolite, biomass and humic acid [J]. Water Research, 2012,46(14):4339-4350.

[41] 任冰倩.腐殖酸抑制厭氧消化過程實驗研究 [D]. 北京:北京建筑大學, 2015.

[42] Bastida F, Jindo K, Moreno J L, et al. Effects of organic amendments on soil carbon fractions, enzyme activity and humus–enzyme complexes under semi-arid conditions [J]. European Journal of Soil Biology, 2012,53(6):94-102.

[43] Szilagyi. Reduction of Fe3+ion by humic acid preparations [J]. Soil Science, 1971,111(4):233-235.

[44] Ma C, Zhou S G, Lu Q, et al. Decolorization of Orange I under alkaline and anaerobic conditions by a newly isolated humus-reducing bacterium, Planococcus sp. MC01 [J]. International Biodeterioration & Biodegradation, 2013,83(9):17-24.

[45] Scott D T, Diane M. McKnight, E L. Blunt-Harris, et al. Quinone Moieties Act as Electron Acceptors in the Reduction of Humic Substances by Humics-Reducing Microorganisms [J]. Environmental Science & Technology, 1998, 32(19):372.

[46] 馬 晨,楊貴芹, 陸 琴,等.Fontibactersp.SgZ-2厭氧腐殖質/Fe(Ⅲ)還原特性及電子傳遞機制研究 [J]. 環境科學, 2014,(9):3522-3529.

[47] Mills R T E, Dewhirst N, Sowerby A, et al. Interactive effects of depth and temperature on CH4and N2O flux in a shallow podzol [J]. Soil Biology & Biochemistry, 2013,62(5):1-4.

[48] Lou X F, Nair J, Nair J. The impact of landfilling and composting on greenhouse gas emissions-a review [J]. Bioresource Technology, 2009,99(16):3792-3798.

[49] Van Trump J I, Wrighton K C, Thrash J C, et al. Humic acid-oxidizing, nitrate-reducing bacteria in agricultural soils [J]. Mbio., 2011,2(4): e00044.

[50] 姜 杰,楊 湞,任 謙,等.土壤腐殖質氧化還原電位及其相應電子轉移能力分布 [J]. 環境化學, 2015,(2):219-224.

[51] 李 季. 腐殖酸抑制及解抑制厭氧消化機理深探 [D]. 北京:北京建筑大學, 2018.

[52] Khadem A F, Azman S, Plugge C M, et al. Effect of humic acids on the activity of pure and mixed methanogenic cultures [J]. Biomass and Bioenergy, 2017,99:21-30.

[53] Ye R, Keller J K, Jin Q, et al. Peatland types influence the inhibitory effects of a humic substance analog on methane production [J]. Geoderma, 2016,265:131-140.

[54] Lovley D R, Kashefi K, Vargas M, et al. Reduction of humic substances and Fe(Ⅲ) by hyperthermophilic microoganisms [J]. Chemical Geology, 2000,169:289-298.

[55] Benz M, Schink B, Brune A. Humic acid reduction by Propionibacterium freudenreichii and other fermenting bacteria [J]. Applied and Environmental Microbiology, 1998,64(11):4507-4512.

[56] Xu J, Zhuang L, Yang G, et al. Extracellular quinones affecting methane production and methanogenic community in paddy soil [J]. Microbial Ecology, 2013,66(4):950-960.

Mechanism of methane production pathway influenced by humus during the anaerobic digestion.

YANG Tian-xue1, LI Ying-jun2, ZHAO Ying1, ZHANG Lie-yu1, HUANG Cai-hong1, LI Dong-yang1, YU Hong1, LI Qi1, XI Bei-dou1*

(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.Beijing Vocational Agriculture, Beijing 100012, China)., 2018,38(11)：4180~4186

Biomass solid waste quantity was large and widely available, with dual characters of pollution and resource. Anaerobic fermentation could promote its pollution control and some part of components involved were converted into humus (HS) under the action of microorganisms. By analyzing the relationship between HS conversion, HS structural characteristics and redox performance, humic reducing bacteria and methanogen activity, and CH4production efficiency in anaerobic fermentation, the regulation principle of HS to CH4in biomass dry anaerobic fermentation system was illustrated, which provided theoretical support for reducing the inhibition of HS on the CH4production pathway and improving fermentation efficiency in anaerobic fermentation system.

humus；biomass waste；anaerobic digestion；methane；inhibition

X705

A

1000-6923(2018)11-4180-07

楊天學(1983-),男,安徽銅陵人,副研究員,博士,主要從事固體廢物處理處置與資源化研究.發表論文30余篇.

2018-06-30

公益性行業科研專項(201509040);國家自然科學基金項目(51608499)

* 責任作者, 研究員, xibeidou@yeah.net