一种提高猪粪厌氧发酵甲烷产气量的方法

1.本发明有机肥发酵技术领域，具体涉及一种提高猪粪厌氧发酵甲烷产气量的方法。


背景技术：

2.随着我国社会市场经济的快速发展和科技水平的提高，我国畜禽养殖业逐渐走规模化和集约化。四环素类抗生素(tetracyclines,tcs)是临床上一类重要的广谱抗菌药物，由于具有预防、治疗疾病和促进动物生长等作用，常被用作饲料添加剂广泛应用于畜牧业及水产养殖业中，但大部分抗生素不能被动物吸收，约有30％～90％的抗生素以原样形式随着粪便排泄到环境中。抗生素毒性强而且有生物累积性，排放到环境中的原样抗生素及禽畜粪便产生的环境污染严重制约着畜禽养殖业的可持续发展，并威胁人类的生存与发展。因此，探讨降解四环素最优方法具有重要的意义。
3.厌氧发酵技术是无害化降解抗生素的重要方法之一，因其发酵最适温度不同，可分为高温厌氧发酵和中温厌氧发酵，中温厌氧发酵产甲烷量和微生物活性皆优于高温厌氧发酵。残留在禽畜粪便中的抗生素会随着厌氧发酵的进行而发生降解，但sanz等研究发现大多数抗生素对产甲烷过程有不同程度的抑制作用。因此，利用厌氧发酵技术降解猪粪中的四环素首先应解除四环素对厌氧发酵的抑制作用，保证厌氧发酵的顺利进行。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种提高猪粪厌氧发酵甲烷产气量的方法，通过调节发酵底物解除四环素对猪粪厌氧发酵的抑制作用，以提高猪粪厌氧发酵对四环素的降解作用。
5.为了达到上述技术目的，本发明具体通过以下技术方案实现：
6.一种提高猪粪厌氧发酵甲烷产气量的方法，以猪粪为发酵底物，添加水并调节发酵底物的碳氮比为35进行厌氧发酵。
7.进一步的，在发酵底物中添加四环素，使得发酵液中四环素的浓度为80mg/kg。
8.进一步的，采用尿素和葡萄糖调节发酵底物的碳氮比。
9.进一步的，采用中温厌氧发酵，具体发酵的温度条件为35℃。
10.本发明调节发酵底物的c/n比对发酵过程中环境因子的最大值和最小值以及他们出现的时间有影响，且适宜的c/n比促进发酵系统环境因子之间的协调作用。
11.四环素对猪粪厌氧发酵具有抑制作用，适宜的c/n比能够解除四环素对猪粪厌氧发酵的抑制作用，并且能提高猪粪厌氧发酵对四环素的降解作用。
12.本发明的有益效果为：
13.本发明提供了一种提高猪粪厌氧发酵甲烷产气量的方法，通过添加适量的四环素，调节发酵液中四环素的浓度，同时调节发酵底物的碳氮比，可以显著提高甲烷的产气量。
附图说明
14.图1是本发明不同c/n比对四环素抑制下厌氧发酵产气量的影响；
15.图2是本发明不同c/n比对四环素降解率的影响；
16.图3是本发明c4处理组c/n比对四环素降解率的影响。
具体实施方式
17.下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.实施例1
19.本发明提供了一种猪粪的厌氧发酵方法，取干物质量为56的猪粪装入厌氧发酵瓶中，再向厌氧发酵瓶中装入200g沼液，最后利用蒸馏水补充，使厌氧发酵瓶中总物质的质量为700g。除空白对照组之外，向每个发酵罐中加入56mg的四环素，使发酵液中四环素的浓度为80mg/kg。最后将各种物质添加完毕的发酵罐放入35摄氏度的培养箱中恒温发酵35d。
20.实施例2c/n比对四环素抑制下厌氧发酵产气量的影响
21.1)供试材料
22.表1猪粪和沼液的理化性质
[0023][0024]
四环素(tetracycline，tc，纯度≥纯度rac)购于德国dr.ehrenstorfer公司。新鲜猪粪和沼液取自四川省南充市顺庆区华凤镇的生态养殖场。在饲养的过程中未添加任何的抗生素，沼液取自该养殖场以猪粪为发酵底物的发酵池，无抗生素的污染。
[0025]
2)实验方案
[0026]
空白对照组(ck)：猪粪和沼液。
[0027]
实验对照组(tet)：猪粪、沼液和四环素。
[0028]
实验组：在实验对照组(tet)的基础上，利用葡萄糖和尿素调节c/n，使实验组发酵初始环境的c/n分别是20、25、30、35、40、45和50并进行3次平行实验。添加葡萄糖和尿素时充分考虑发酵底物猪粪和发酵沼液的c/n之后，计算需要添加的葡萄糖和尿素的添加量。每个处理具体的葡萄糖、尿素和四环素的的添加量如表2所示：
[0029]
表2葡萄糖和尿素的添加量
[0030][0031]
如图1所示，未添加四环素的厌氧发酵甲烷累积产量为8537ml，添加四环素后甲烷的累积产量为6231ml。调节发酵底物的c/n比后的各处理的累积产气量逐渐上升，至调节发酵底物的c/n比为20时，解除四环素对厌氧发酵的抑制，其产气量高于tet，当发酵底物的c/n比调制35时，产气量为13319ml，显著高于tet和其他处理组(p＞0.05)。综上所示，四环素能够抑制厌氧发酵产能，但调节发酵底物的c/n比，不仅能解除四环素对厌氧发酵的抑制作用，更能进一步的促进厌氧发酵的进行。在厌氧发酵系统中，四环素能够抑制产甲烷菌的活性，因此添加四环素的处理组累积甲烷产量降低。但适宜的c/n有利于厌氧发酵系统产甲烷菌产生甲烷，c/n比为35时发酵系统最稳定，产气量最高。所以调节底物的c/n比能够提高被四环素抑制的发酵系统的产气量，且c/n比为35时产气量最高。
[0032]
实施例3c/n对四环素降解率的影响
[0033]
采用实施例2实验方法，研究c/n对四环素降解率的影响。
[0034]
结果如图2和图3所示，调节了发酵底物c/n的实验组中四环素的降解率均显著高于tet(86.72％)(p＜0.05)。c4处理组，四环素的降解率最高，且显著高于其他处理组(p<0.05)。研究结果表明猪粪厌氧发酵底物的c/n对四环素的降解率有显著影响，且发酵底物c/n为35时四环素的降解率最大。说明调节c/n解除四环素对厌氧发酵的抑制作用的同时能够提高四环素的降解率。分析可能的原因是，调节c/n比够提高厌氧发酵系统中微生物的协调作用，促进厌氧发酵的进行，加快四环素的降解。c4组调节的c/n为最优35，该条件为微生物提供合适的碳源和氮源，满足其营养需求和能量需求，有利于厌氧发酵微生物的生长发育和繁殖，所以c4组的四环素降解率最高。随后对c4和tet组发酵过程中四环素的降解率研究发现，tet组和c4组的最大四环素降解率均出现在厌氧发酵的前5天。研究发现水解酸化能够有效的去除抗生素，厌氧发酵进行的前五天，发酵系统主要进行水解反应，因此对抗生素的降解效果明显。
[0035]
实施例4发酵底物c/n对发酵过程各指标的的影响
[0036]
如表3所示，c4组的纤维素酶活力最大值为18.97iu/ml高于tet处理组及其他其他处理组，出现在厌氧发酵初始阶段；其最小值出现在厌氧发酵结束时，最小值出现的时间较tet推迟。由此可以看出，调节发酵底物的c/n会使发酵过程中纤维素酶活力的最大值升高，使纤维素酶活力的最小值出现的时间推迟。tet组的还原性糖含量最大值为18.48mg/kg，出
现在厌氧发酵初始阶段，最小值是1.38mg/kg，出现在厌氧发酵的第35天。调节c/n比后c4处理组纤维素酶活力的最大值和最小值均高于tet组和其他处理组，c4组的还原性糖含量的最大值和最小值出现的时间分别为初始状态和发酵结束时。综上所述，调节c/n比使纤维素酶活力和还原性糖含量的最大值升高，最小值出现的时间推迟。分析可能的原因为抗生素对厌氧发酵具有抑制作用，且四环素对甲烷菌有抑制作用(四环素在厌氧发酵过程中的降解作用)。研究中利用葡萄糖为碳源调节发酵底物的c/n比，葡萄糖是厌氧发酵微生物的底物，纤维素酶是厌氧发酵系统中微生物产生，纤维素酶能将发酵底物中的纤维素分解为还原性糖，因此纤维素酶活力和还原性糖含量的最大值升高。纤维素酶和还原性糖含量升高能够促进厌氧发酵的进行，解除四环素对厌氧发酵的抑制，使纤维素酶活力和还原性糖含量的最小值出现的时间推迟。
[0037]
tet组的vfa含量最大值为1552.91mg/kg，出现在厌氧发酵的第5天。在调节了c/n的实验组中，c4组的vfa含量最大值高于tet和其他处理组，为2276.90mg/kg，出现在厌氧发酵的第15天。vfa是产甲烷菌产生的甲烷的底物，一定范围内vfa内较高含量的vfa促进厌氧发酵的进行。因为调节c/n比后发酵初始环境中的纤维素酶活力和还原性糖含量升高，所以处理中vfa含量升高。但其最大值出现的时间推迟可能的原因为处理组中加入了还原性糖使微生物活性升高，相应的对vfa含量的需求增加而消耗掉部分发酵系统中产生的vfa，使厌氧发酵的前15天vfa含量缓慢上升。
[0038]
tet中ph值最小值出现在厌氧发酵的第15天为5.78，c4发酵过程中ph最小值出现在其厌氧发酵的第25天，最小值为6.32而高于tet。厌氧发酵过程中vfa含量升高ph值降低，ph值降低vfa含量升高。调节c/n比后vfa含量的最大值出现的时间推迟，所以发酵过程中ph值最小值出现的时间推迟。厌氧发酵过程中过低的ph抑制厌氧发酵的进行，适宜的发酵底物c/n比能够提高厌氧发酵过程中ph值的最小值，促进厌氧发酵的进行，从而解除四环素对厌氧发酵的抑制作用。
[0039]
表3厌氧发酵过程中纤维素酶活力、还原性糖含量、vfa含量和ph值的影响
[0040]
[0041][0042]
实施例5
[0043]
如表4所示，tet中厌氧发酵相关的发酵指标之间的相关性分析显示，还原性糖含量和vfa含量相关性最强，呈显著的正相关关系，但是二者的相关关系小于c4中二者的相关关系。tet中纤维素酶活力与还原性糖含量和vfa含量的关系均不显著，但c4中纤维素酶的活力与还原性糖和vfa含量的关系均显著。分析结果表明，调节c/n比增加发酵系统中环境因子之间的相关关系，说明调节c/n增加被四环素抑制的发酵系统的环境因子的协调作用。
[0044]
表4发酵过程中环境因子与四环素降解率之间的关系
[0045]
[0046]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。