非常规微量元素对厌氧发酵性能的提升作用

胡婉蓉; 林敏; 宋云龙; 董仁杰; 乔玮

doi:10.3969/j.issn.2095-560X.2021.02.001

新能源进展 >

2021 , Vol. 9 >Issue 2: 85 - 94

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2021.02.001

非常规微量元素对厌氧发酵性能的提升作用

胡婉蓉 ¹ ,
林敏 ²^,³ ,
宋云龙 ²^,³ ,
董仁杰 ²^,³ ,
乔玮 ^,²^,³^,^†

展开

1.中国地质大学（北京）水资源与环境学院,北京 100083
2.中国农业大学工学院,北京 100083
3.中国农业大学,国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发实验中心,北京 100083

† 通信作者:乔玮,E-mail:qiaowei@cau.edu.cn,wayqiao@sina.cn

作者简介:胡婉蓉（1996-）,女,硕士研究生,主要从事废水和废弃物的厌氧生物处理研究。乔玮（1979-）,男,博士,教授,主要从事废水和废弃物的厌氧生物处理研究。

收稿日期: 2020-12-08

修回日期: 2021-01-25

基金资助

“十三五”国家重点研发计划项目（2016YFD0501403）

收起

Effects of Supplementing Unconventional Trace Elements on Anaerobic Digestion: A Review

Wan-rong HU ¹ ,
Min LIN ²^,³ ,
Yun-long SONG ²^,³ ,
Ren-jie DONG ²^,³ ,
Wei QIAO ^,^†^,²^,³

Expand

1. School of Water Resources & Environment, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
2. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China
3. Research & Development Center for Efficient Production and Comprehensive Utilization of Biobased Gaseous Fuels, Energy, Authority, National Development and Reform Committee, China Agricultural University, Beijing 100083, China

Received date: 2020-12-08

Revised date: 2021-01-25

Copyright

Fold

摘要

厌氧发酵是有机废弃物和高浓度有机废水处理的重要技术手段,缺乏必需的微量元素会显著降低厌氧微生物的代谢活性,进而影响工艺的处理效果。如何维持厌氧系统微量元素的平衡和有效供给是重要的研究课题。关于Fe、Co和Ni在厌氧系统的作用已有大量的文献报道,而对于Se、W、Mo、Cu和Zn等非常规微量元素的作用还缺少总结和分析。产甲烷菌中有常见的代谢关键酶,另外有6种特有的辅酶,这些酶可以受到金属离子的刺激作用。通过查阅大量文献,对非常规微量元素促进厌氧微生物酶代谢活性的作用机理进行分析,汇总了11种产甲烷菌的重要金属酶。总结了针对不同底物的中温和高温发酵工艺,添加微量元素促进发酵效率的结果。为调节微量元素提高厌氧发酵效率的研究提供参考。

关键词： 微量元素; 厌氧发酵; 产甲烷菌; 酶

本文引用格式

胡婉蓉 , 林敏 , 宋云龙 , 董仁杰 , 乔玮 . 非常规微量元素对厌氧发酵性能的提升作用[J]. 新能源进展, 2021 , 9(2) : 85 -94 . DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2021.02.001

Abstract

Anaerobic digestion was a promising technology for the organic waste and wastewater treatment. However, the deficiency of necessary trace elements greatly limit the metabolic activities of anaerobic microbes, thus the performance of anaerobic digestion was negatively affected. How to manage the trace elements supplementation is an important research issue. The effects of Fe, Co and Ni on the improvement of an anaerobic digestion process have been widely reported and reviewed. While the role of Se, W, Mo, Cu and Zn in anaerobic digestion was lack of summary and analysis. There are common metabolic key enzymes and 6 unique coenzymes in methanogens, which can be stimulated by metal ions. In this paper, the mechanism of enzyme on the metabolic performance was reviewed and analyzed. The metals contained enzymes in 11 methanogens were also summarized. In addition, the results of adding trace elements in both mesophilic and thermophilic anaerobic system were compared. This work may be served as a reference for the improvement of an anaerobic system by regulating the trace elements nutrients.

Key words： trace elements; anaerobic digestion; methanogens; enzyme

0 引言

厌氧发酵在一定温度和厌氧条件下通过厌氧微生物协同作用将有机物转化为甲烷,是有机废弃物和有机废水的主要处理方式。参与厌氧发酵过程的微生物种类复杂、群落结构不同,为保证工艺的正常运行,需调整工艺系统以优化微生物的生长条件。维持营养供给是保障微生物活性的重要基础,与大量元素（营养元素）相比,Fe、Co、Ni、Se、W、Mo、Cu、Zn等微量元素存在于细胞、组织和生物体液中维持微生物生长代谢^[1]。

微量元素的缺乏会导致厌氧微生物活性降低、有机酸积累,甚至导致反应器运行失败。近年来,学者们研究了不同原料、不同工艺的微量元素需求种类和需求量。大量研究表明,Fe、Co和Ni缺乏对厌氧发酵的限制作用最明显,其在微量元素中的含量和需求量也最多^[2]。关于这三种微量元素的研究很多,可视为常规微量元素。研究发现,Se、W、Mo、Cu、Zn等微量元素在厌氧系统中也发挥非常关键的作用。添加Co、Ni、Mo、Se、W等微量元素能明显促进耐受氨氮的氢营养型产甲烷菌生长,添加硒可明显提高氢营养型产甲烷菌Methanoculleus bourgensis的活性和数量,提高发酵稳定性和甲烷产率^[3]。关于这些元素作用机理的研究较少,可被当作是非常规微量元素。

学者们还研究了不同原料、不同工艺的非常规微量元素需求种类和需求量。本文通过分析文献研究结果,总结非常规微量元素在厌氧发酵中的作用,以期为厌氧发酵的工艺设计和改善提供参考。

1 非常规微量元素的促进作用

产甲烷菌是一类古生菌,古生菌和细菌这两类原核生物最先由一种小的细胞分化出来,是地球上一切生物共同的远祖^[4]。产甲烷菌必须在严格厌氧的环境下生存,能从甲基类化合物、乙酸、H₂和CO₂等简单化合物获得自身代谢需要的能量和细胞质,代谢产物为CH₄。产甲烷菌除了含有生物体共有的必需代谢酶,如乙酰辅酶A,还有很多参与产甲烷反应的独特辅酶,如甲烷呋喃、甲烷蝶呤、辅酶M、辅酶F₄₃₀、辅酶F₄₂₀和辅酶B。这些特有的辅酶及其中含有的金属元素如表1所示。

Table 1 Specific coenzymes of methanogens and their trace elements

表1 产甲烷菌特有的辅酶及其含有的微量元素

辅酶	功能作用	结构	结合的金属元素	参考文献
甲烷呋喃	将CO₂还原为甲酰基（-CHO）,与自身的氨基侧链结合,再与下一种辅酶结合进行反应	由酚、谷氨酸、二羧基脂肪酸和呋喃环四种结构组成	Fe,Mg,Co,Zn	[5]
甲烷蝶呤	将甲酰基（-CHO）还原为甲基（-CH₃）	含蝶呤环,主要成分为叶酸,菌体内的甲烷蝶呤以还原态活性四氢蝶呤形式存在	Fe,Zn	[6,67]
辅酶M	充当甲基（-CH₃）载体,甲基还原酶（F₄₃₀复合物）催化甲基转化成甲烷	在所有辅酶中相对分子质量最小,为2-巯基乙烷磺酸	Fe,Ni,Zn	[7,68]
辅酶F₄₃₀	与辅酶M的作用相似,作为甲基还原酶复合物的一部分完成甲烷产生的最终步骤	含有四吡咯结构的化合物	Fe,Ni	[8,68]
辅酶F₄₂₀	在低氧化还原电势下作为双电子载体并提供电子,可以辅助催化氢化酶、NADP⁺还原酶等多种酶的反应过程	一种黄素衍生物,结构与一般黄素辅酶FMN相似	Co,Ca	[9]
辅酶B	为甲基还原酶提供电子,并在被辅酶M还原过程中为菌体提供能量	类似于维生素中的泛酸结构	-	[10]

1.1 硒（Se）

Se是非金属元素,位于化学元素周期表中第四周期的VIA族,存在于自然界的岩石土壤、沉积物水体、生物体等环境中,在地壳中含量相当稀少^[11]。Se参与构成甲酸盐脱氢酶（formate dehydrogenase, FDH）,主要作用于产甲烷菌^[2],尤其是氢营养型产甲烷菌,能显著改善乙酸和丙酸的降解。乙酰辅酶A在生物体中担任重要的合成代谢功能,Se参与了乙酰辅酶A的合成,其合成酶具有Se-Cu键^[12]。

詹氏甲烷球菌Methanococcus jannaschii、沃氏甲烷球菌Methanococcus voltae^[13]、氢营养型甲烷球菌Methanococcus maripaludis^[14]等产甲烷菌都曾被发现生长受到Se的刺激作用。Methanococcus maripaludis在10 μmol/L Se的存在下生长速率受到激发^[15],缺少硒蛋白会导致缺少同工型互补的半胱氨酸或蛋白缺乏活性,在任何生长条件下都不能缺少Se^[16]。Methanococcus voltae利用H₂的过程依赖于环境中Se的存在。Methanococcus maripaludis和Methanococcus voltae等含硒蛋白的产甲烷菌,在缺乏Se的情况下,产甲烷过程受到极大抑制^[14]。超高温产甲烷菌Methanopyrus kandleri也很难在缺乏Se的培养环境中生长^[17]。目前已发现产甲烷菌的生化、遗传和基因组中的多种硒蛋白:甲酸脱氢酶、氢化酶（如还原F₄₂₀的氢化酶、非还原F₄₂₀的氢化酶等）、甲酰甲基呋喃脱氢酶、杂二硫键还原酶等。

Se在市政污泥中主要以有机物和硫化物的形式存在（80%以上）,这些形态的Se含量与比产甲烷活性（specific methanogenic activity, SMA）存在正相关性^[18]。

1.2 钨（W）

W是一种稀有金属元素,位于元素周期表中第六周期的VIB族,在自然界主要呈六价,易形成络阴离子形式WO₄^2-。参与构成甲酸盐脱氢酶、甲酰甲基呋喃脱氢酶,主要作用于产甲烷菌,促进其利用CO₂和H₂合成甲烷^[19]。

热醋酸梭状芽孢杆菌Clostridium thermoaceticum是一种同型产乙酸菌,其体内的甲酸脱氢酶和羧酸还原酶是一种含钨酶^[20],一些梭状芽孢杆菌如尿酸发酵梭状芽孢杆菌Clostridium acidiurici、柱形芽孢梭状芽孢杆菌Clostridium cylindrosporum以及产甲烷球菌Methanococcus vanielii的甲酸脱氢酶也是含钨酶^[21]。

在产甲烷杆菌Methanobacterium wolfei中,Ni、Mo、Se和Te都不能替代W的作用,而且在热自养产甲烷杆菌Methanobacterium thermoautotrophicum和布氏甲烷杆菌Methanobacterium bryantii的自养生长培养中,W可能会替代Ni^[22]。

1.3 钼（Mo）

Mo属于过渡金属元素,位于元素周期表第五周期的第VIB族,是一种稀有金属,稳定价态为正六价,在生物领域主要以钼酸盐形式利用^[23]。目前学者认为高温产甲烷菌中绝大多数的含钼酶利用的金属是以含蝶呤的辅因子形式存在,含蝶呤辅因子由Mo与简单而独特的蝶呤连接组成,称为钼蝶呤^[24]。Mo参与构成甲酸盐脱氢酶^[25],能够促进乙酸和丙酸降解,还能够抑制硫酸盐还原菌的代谢,减少硫化物的生成^[26]。

1.4 铜（Cu）

Cu是一种过渡金属元素,位于第四周期IB族,自然界中的Cu储量较为丰富,多以化合物即铜矿物存在^[27]。在厌氧产酸过程中,Cu是必需元素,Cu与兼性厌氧菌和梭状芽孢杆菌的氢化酶相连,是超氧化物歧化酶和氢化酶的组成成分,能有效促进合成产甲烷菌组织,其中氢化酶能够催化氢气氧化或质子还原的可逆化学反应^[28]。嗜热产乙酸菌Moorella thermoacetica中的CO脱氢酶、乙酰辅酶A合成酶、硒代辅酶A含有Cu^[12]。

1.5 锌（Zn）

Zn元素是一种过渡金属元素,位于化学元素周期表中第四周期的IIB族,是多种产甲烷菌的组成成分,参与构成了氢化酶、甲酸脱氢酶、超氧化物歧化酶,主要作用于产甲烷菌^[29]、兼性厌氧菌^[2]。含锌酶在产甲烷菌中占所有锌蛋白的71%,在细菌中占80%,锌依赖性肽酶和β-内酰胺酶在原核生物中广泛存在^[30]。

在餐厨垃圾和生活污水中添加不同剂量的Zn,能够加快长链和短链脂肪酸的消耗,不饱和脂肪酸与Zn²⁺发生生物和化学沉淀作用而被去除,并且Zn²⁺沉淀作用是去除长链脂肪酸的另一重要途径^[31]。

不同金属酶在产甲烷菌中的分布如表2所示。

Table 2 Metalloenzymes in some methanogens

表2 一些产甲烷菌中的金属酶

金属酶	产甲烷菌	产甲烷菌中的酶	元素添加形式	参考文献
含硒酶	詹氏甲烷球菌Methanococcus jannaschii （Methanocaldococcus jannaschii）	F₄₂₀还原性氢化酶、F₄₂₀非还原性的氢化酶、甲酸脱氢酶、氢化酶、甲酰甲基呋喃脱氢酶、杂二硫键还原酶（均依赖硒代半胱氨酸）	Na₂SeO₃	[12,32]
	沃氏甲烷球菌Methanococcus voltae	氢化酶的硒蛋白亚基		[12]
	氢营养型甲烷球菌Methanococcus maripaludis	甲酸盐脱氢酶		[14]
	巴氏甲烷八叠球菌Methanosarcina barkeri	膜相关辅酶F₄₂₀、氢化酶		[33]
	超高温产甲烷菌Methanopyrus kandleri	两种甲酰甲基呋喃脱氢酶（在W和Se同时存在时才能达到最佳生长状态）		[17]
含钨酶	产甲烷球菌Methanococcus vanielii	甲酸脱氢酶	Na₂WO₄∙2H₂O	[21]
	产甲烷杆菌Methanobacterium wolfei	甲酰甲基呋喃脱氢酶		[19]
	超高温产甲烷菌Methanopyrus kandleri	两种甲酰甲基呋喃脱氢酶		[17]
含钼酶	产甲烷球菌Methanococcus vanielli	甲酸脱氢酶	Na₂MoO₄∙2H₂O	[34]
含钼酶	甲酸甲烷杆菌Methanobacterium formicicum	甲酸脱氢酶	Na₂MoO₄∙2H₂O	[35]
含铜酶	嗜热甲烷八叠球菌Methanosarcina thermophila	CO脱氢酶、乙酰辅酶A合成酶、硒代辅酶A	CuCl₂∙2H₂O	[12]
含锌酶	詹氏甲烷球菌Methanocaldococcus jannaschii 超高温产甲烷菌Methanopyrus kandleri 嗜热自养甲烷杆菌Methanothermobacter marburgensis	氢化酶、甲酸脱氢酶、超氧化物歧化酶	ZnCl₂	[36]
含锌酶	詹氏甲烷球菌Methanocaldococcus jannaschii 产甲烷短杆菌Methanobrevibacter millerae	NADH脱氢酶	ZnCl₂	[37-38]

1.6 协同作用

1.6.1 W与Mo的替代关系

目前已知的含W酶活性位点与大多数含Mo酶十分相似,因此W取代的含Mo酶也可能具有活性。Methanobacterium wolfei中分别存在含Mo和含W的两种甲酰甲基呋喃脱氢酶,W取代的甲酰甲基呋喃脱氢酶仍然具有催化活性^[19]。但是,有些产甲烷菌的含W酶,W与Mo相互替代会使酶失活,虽然结构相似但不能发挥相应的蛋白功能。例如Methanopyrus kandleri含有两种依赖W的甲酰甲基呋喃脱氢酶,W可有效刺激其生长,Mo不能替代W对其的作用。存在中温生物体中的酶,Mo的作用比W更重要,如生物体中的许多醛氧化酶都含有Mo。而高温生物体的酶对W的需求更大,因为高温生物的含W酶可以催化含Mo酶参与的反应^[24]。

1.6.2 Cu和Zn的竞争关系

Cu和Zn的二价阳离子在许多细胞类型中经常竞争相同的转运蛋白,可以通过实验推测,向底物中添加Zn会阻止Cu进入细胞^[39]。产甲烷菌中含有超氧化物歧化酶和金属β-内酰胺酶。用Cu(II) 和Zn(II) 制备3种金属配合物,即CuCu、CuZn和ZnZn,能够培养得到含有CuCu和CuZn的超氧化物歧化酶和含有ZnZn的金属β-内酰胺酶,其中CuCu桥的水溶性更强、更不稳定,其抗氧化能力和桥结构稳定性均低于CuZn结构^[40]。Zn/Cu组合和Zn/乙酸盐组合的添加提高了Methanococcus maripaludis的生长速率和产甲烷率,超过了单独添加Zn、Cu、乙酸时所观察到的生长速率和甲烷产率^[39]。

1.6.3 Se和W的协同作用

Se、W是合成甲酸盐脱氢酶、甲基呋喃脱氢酶和氢化酶必需的辅因子,催化丙酸转化生成CO₂的系列化学反应,进而促进产甲烷菌以CO₂和H₂为底物合成甲烷的活性。适量添加Se、W能够促进产甲烷菌的生长、激活酶的活性,丰富产甲烷菌的多样性,能够将CO₂转化为甲烷的效率提高25%^[41]。Se和W能够调节生物体中的电子转移,激活细菌的丙酸降解酶,促进发酵系统丙酸降解,使丙酸和总挥发性脂肪酸降低80%以上^[42]。向猪粪添加Se、W进行厌氧发酵,有机酸降低近60%,尤其将丙酸降解了90%以上^[43]。

厌氧发酵系统中微生物和酶种类多样,需求的不仅是单一的某种元素,而是多种元素的协同作用。同一种元素的浓度达到上限后也不再进一步发挥促进作用,过量反而会造成毒性,增加工程的运行成本。在微量元素发挥作用时也存在竞争、优先利用、共同利用的情况,因此保证不同的微量元素需求量充足对促进厌氧发酵微生物至关重要。以往的大量研究以不同浓度的Fe、Co、Ni添加到发酵原料中,这些常规的微量元素已被证明对厌氧微生物有促进作用,但是Se、W、Mo、Cu、Zn等微量元素的重要性被忽略。这些非常规微量元素对环境友好,在发酵原料和土壤中的含量相对较少,比常规添加的Fe、Co、Ni元素的量低。少量添加非常规微量元素目的在于改善厌氧发酵的工艺效果,不会引起沼液金属元素浓度过高而带来环境风险。若能进一步研究这些非常规微量元素的作用,预测其对厌氧微生物的促进作用会更理想。

2 微量元素促进厌氧发酵的工艺效果

除了较简单的发酵底物如葡萄糖、丙酸等之外,其他原料中可能含有一定量的微量元素,如表3所示。餐厨垃圾各种微量元素都较为缺乏,鸡粪更容易缺乏Co、Ni、Se、W,猪粪更容易缺乏Co、Ni、Se、W、Mo,牛粪更容易缺乏Co、Ni、Se、Mo、Cu,市政污泥更容易缺乏Co、Mo,玉米秸秆更容易缺乏Co、Se,青贮玉米更容易缺乏Co、Ni、Mo。

Table 3 Trace element content of different raw materials

表3 不同原料的微量元素含量

测试项目	Fe	Co	Ni	Se	W	Mo	Cu	Zn	参考文献
餐厨垃圾（mg/kg-TS）	35 ~ 202	0 ~ 0.09	0.53	0.00 ~ 0.28	0.00 ~ 0.26	0.11 ~ 0.26	2.80 ~ 8.18	20.06	[44-46]
鸡粪（mg/kg-TS）	151 ~ 606	0.60 ~ 1.92	1.00 ~ 5.22	0.10 ~ 1.23	0.00 ~ 0.02	0.30 ~ 7.70	6.30	57.20	[3,47-48]
猪粪（mg/kg-TS）	491 ~ 605	1.40 ~ 1.80	1.40	0	0	0.40 ~ 0.70	50.80 ~ 55.80	198.60 ~ 238.20	[43,47]
牛粪（mg/kg-TS）	251	0.30	1.50	0.00	-	0.20	0.30	14.40	[47]
市政污泥（mg/kg-TS）	9 130	0.01	52.90	-	-	0.01	177.00	182.00	[49]
玉米秸秆（mg/kg-TS）	3 372	0.00	54.80	0.00	-	4.00	7.3	69.70	[47]
青贮玉米（mg/kg-TS）	318	0.00	0.00	-	-	0.50	5.55	29.70	[50]
厌氧发酵最佳需求量（mg/L）	5	1.00	1.00	0.20	0.20	0.20	0.10	0.02	[44]

2.1 非常规微量元素对中温厌氧发酵的促进作用

在餐厨垃圾的中温发酵过程中,丙酸容易出现积累^[31,44],而产甲烷囊菌Methanoculleus bourgensis^[51]、产氢产乙酸互营杆菌Syntrophobacter spp.和丙酸氧化细菌Pelotomaculum spp.等^[52]可促进丙酸的降解,这些微生物的活性在添加Se、Mo、W的条件下得到提高。在餐厨垃圾和鸡粪的中温发酵过程中,氢营养型产甲烷菌丰度较大^[3,44],例如亨氏甲烷螺菌Methanospirillum hungatei必需的酶则含有Co和Se^[52]。有研究发现,Se是高氨氮鸡粪厌氧发酵的关键微量元素,添加Se会增加Methanoculleus bourgensis的丰度和活性,其在高氨氮环境下可以代谢H₂和CO₂产生甲烷^[3]。表4总结了中温厌氧发酵不同发酵底物添加非常规微量元素的促进效果。原料的成分不同,添加的元素种类和浓度也各有选择。添加微量元素可以提高发酵系统的运行负荷,明显降低挥发性有机酸的积累,在相同负荷下的甲烷产率有所提高。另外,原料中蛋白质含量高,经过水解后则使发酵液的硫化物浓度升高,硫化物在缺氧条件下溶解度低,会析出,而厌氧发酵系统中必需微量元素的生物利用度和迁移率主要受硫化物控制^[53]。因此,每个发酵系统存在最低元素需求量,为达到更好的促进效果,有些发酵系统的元素添加量较高。

Table 4 The promotion effect of adding unconventional trace elements in mesophilic anaerobic digestion

表4 中温厌氧发酵添加非常规微量元素的促进效果

发酵底物	温度 / ℃	添加微量元素及浓度	促进效果	参考文献
葡萄糖	35 ~ 37	Fe (1.9)*、Co (0.061)、Ni (0.16)、Zn (0.47)	葡萄糖中温厌氧发酵在HRT 5 d、2.0 g COD/(L∙d)条件下稳定运行的最低需求量	[54]
丙酸	30	Fe(90)、Co(8.5)、Ni(8.5)、Cu(7.9)、Zn(7.6)、Mn(9.1)、Mo(5.2)、W(2.7)、Se(6.3)	丙酸和总挥发性脂肪酸降低80%以上	[42]
屠宰场废水	38	Ni(2.5)、Co(3.5)、Mo(0.6)、Se(0.05)	甲烷产量最高可达到250 ~ 275 m³/t COD（标况体积）,挥发性脂肪酸（volatile fatty acid, VFA）降低至500 mg/L以下	[55]
餐厨垃圾	37	Co(0.76)、Mo(0.76,0.23~0.91)、Ni(0.46)、Se(0.08)、W(0.08)	甲烷产率提高67%	[56]
餐厨垃圾	36	Al(0.1)、B (0.1)、Co(1)、Cu(0.1)、Fe(5)、Mn(1)、Mo (0.2)、Ni(1)、Se(0.2)、W(0.2)、Zn(0.2)	沼气产量达到0.75 m³/kgVS,容积沼气产量达到3.75 m³/(m³∙d)（标况体积）,VFA从10 000 mg/L降至500 mg/L以下	[44]
餐厨垃圾	37	Fe(563)、Co (495.8)、Ni(35.2)、Se(56.1)、B(8.9)、Zn(23.9)、Cu(14.2)、Mn(138.9)、Mo(27.2)、Al(10.1)	总挥发性脂肪酸降低到2 000 mg/L以下	[57]
餐厨垃圾	37	Fe(100)、Co(1)、Ni(5)、Mo(5)	甲烷产率提高35.5%	[58]
餐厨垃圾		Co(0.3)、Se(0.2)	提高反应器的运行负荷,使其产气稳定、无VFA积累	[59]
餐厨垃圾	37	Fe(10)、Co(2)、Ni(10)、Mo(5)	甲烷产率提高8%	[60]
酒糟	37	Fe(178)、Co(0.36)、Ni(0.88)、W(0.07)	挥发有机酸降低到1 500 mg/L以下	[61]
餐厨垃圾和市政污泥	35±2	Fe(5000)、Ni(200)、Zn(320)、Mo(2.2)	COD去除率和生物降解率分别达到63.8%和57.89%,沼气产量提升61.95%	[49]
鸡粪	35±1	Fe(55.62)、Co(0.25)、Zn(0.32)、B(0.17)、Mn(0.34)、Cu(0.23)、Mo(0.44)	甲烷产率提高11.2%,产甲烷速率提高3.5%	[47]
牛粪			甲烷产率提高24.6%
猪粪			甲烷产率提高10.4%,产甲烷速率提高2.4%
猪粪	35±1	Se(0.8)、W(1.8)	累积产气量、平均甲烷含量和生物产甲烷效率比对照组分别提高10.2%、6.1%和21.4%	[43]
猪粪	37	Zn(125、1 250)	累积沼气分别增加51.2%和56.0%	[38]
猪粪	35	Se(5,以干重计)	累计产气量提高7.73%,增加厌氧微生物的多样性	[62]
鸡粪	36±1	Ni(1)、Co(1)、Mo(0.2)、Se(0.2)、W(0.2)	微量元素使甲烷产率达到0.26 m³/kg-VS,提高54%	[3]
猪场废水	37	Zn(0.4)	批式实验甲烷产率提高126%,连续实验提高21%	[63]
牛场废水	37	Fe(5)	批式实验比甲烷产率提高62%,连续实验提高2%	[63]
青贮玉米	37±1	Ni (0.1和0.5)、Co(0.1和0.5) Mo(0.05和0.25)	最高甲烷产量为0.429 L-CH₄/g VS。	[50]
餐厨垃圾和猪场废水	37	Fe(100)、Co(2.0)、Ni(10)、Mo(5.0)	甲烷产率达到396 mL/gVS,无VFA积累	[64]
餐厨垃圾和生活废水	35±1	Zn(50、70和100)	COD去除效率增加10%,甲烷产率分别增加30% ~ 65%	[31]


	注:*括号中数据为添加元素的浓度,单位为mg/L。

2.2 非常规微量元素对高温厌氧发酵的促进作用

表5总结了添加非常规微量元素对高温厌氧发酵的促进效果。葡萄糖结构简单、容易被厌氧微生物降解,发酵系统对非常规微量元素需求也较少。含有大分子有机物的单一发酵底物需要的非常规微量元素种类多并且需求量大,在高温条件下厌氧微生物受微量元素限制的问题更加突出,如玉米秸秆和餐厨垃圾的高温厌氧发酵,其中餐厨垃圾更易缺乏微量元素。发酵底物由种类丰富的混合有机物组成时,可以缓解微量元素缺乏的问题,城市有机固废、粪便、污泥在共同发酵时所需要的非常规微量元素的量很少。高温厌氧发酵可以使水解速度更快,但产甲烷菌对微量元素的需求量会更大,金属的生物利用度或生物增长和活性较低,因此高温发酵环境中的某些重要微量金属元素浓度充足才能使微生物发挥其最佳的代谢活性^[54]。如Methanococcus jannaschii^[32]对Se需求更高,Methanopyrus kandleri^[36]对Se、W、Zn需求更高。另一方面,在较高的温度下,金属离子溶解性更强,更容易被微生物利用。但是目前对高温厌氧发酵添加微量元素的研究较少,今后也应加强这方面的研究。

Table 5 The promotion effect of adding unconventional trace elements in thermophilic anaerobic digestion

表5 高温厌氧发酵添加非常规微量元素的促进效果

发酵底物	温度 / ℃	添加微量元素及浓度	促进效果	参考文献
葡萄糖	55	Fe(4.3)*、Co(0.46)、Ni(0.51)、Zn(2.3)	葡萄糖高温厌氧发酵在水力停留时间（hydraulic retention time, HRT）5 d、2.0 g COD/(L∙d)条件下稳定运行的最低需求量	[54]
餐厨垃圾	55	Al(0.1)、B(0.1)、Co(1.0)、Cu(0.1)、Fe(10.0)、Mn(1.0)、Ni(1.0)、Zn(1.0)、Mo(0.1)、Se(0.1)、W(0.1)	负荷增加至4 gVS/(L∙d),VFA积累速率降低至少40%	[65]
玉米秸秆	55±1	Fe(55.62)、Co(0.25)、Zn(0.32)、B(0.17)、Mn(0.34)、Cu(0.23)、Mo(0.44)	产甲烷速率提高了8.6%	[47]
城市有机固废、粪便、污泥（7∶1∶0.5）	55	Co(0.07)、Ni(0.14)、Mo(0.02)、K(10.83)、P(7.89)	沼气产量提高约30%	[66]


	注:*括号中数据为添加元素浓度,单位为mg/L。

由表4和表5的实验结果可以看出,批式发酵实验添加微量元素的效果要比连续发酵明显,但从长期促进微生物代谢和工程意义上来说,连续发酵的促进效果更具有代表性,因此在添加微量元素的研究中,应更注重沼气工程长期运行的促进效果,观察是否降低有机酸浓度、提升甲烷产率、提高发酵系统运行负荷等。在厌氧发酵液中,离子平衡、吸附、络合等物理化学作用共同存在^[18],这些元素大多以无机盐的形式添加到发酵原料中,而实际能以离子形式被微生物利用的量更有待探究。

3 结论与展望

Se、W、Mo、Cu、Zn等非常规微量元素参与构成水解、酸化细菌和产甲烷古细菌的多种合成代谢酶类,催化生物降解反应,不仅在古细菌生物中是不可缺少的,在细菌和真核生物中也起着重要并且复杂的代谢调节作用。常规和非常规微量元素的协同作用能更好地促进厌氧发酵过程,选择合适的微量元素并保证需求量充足对促进厌氧发酵微生物至关重要。高温和高负荷发酵系统对非常规金属元素需求量更大,非常规微量元素可以明显降低发酵系统的有机酸积累量,尤其是难以降解的丙酸的积累量。若能进一步研究这些非常规微量元素的作用机理,将能更好地预测其对厌氧微生物的促进作用。

在利用厌氧微生物解决实际问题时,应保证元素在发酵系统中高效地被利用,不仅考虑金属元素的理论浓度和形态的作用,还应综合考虑物理、化学、生物因素,通过小试实验进行条件优化,再结合工艺成本,确定适当的元素添加方案,避免过量投加。

参考文献

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