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目前,沼气发酵已经是一项发展比较成熟的技术,但其存在的一些问题仍没有完全解决,如沼气产量不高、沼气中甲烷含量较低、发酵启动缓慢等,这些问题在农村沼气应用中表现尤为突出。为了解决这些问题,专家学者们进行了多方面的研究,往发酵系统中添加外源物质是其中的一个方向。有研究指出产甲烷菌只能利用铵态氮,而难以利用结构复杂的有机氮化物。尿素是一种容易水解成铵态氮的化合物,本研究通过往发酵系统中添加尿素,以研究尿素对发酵过程中微生物群落的变化规律及对沼气产量的影响,对沼气技术的深入研究和更有效利用具有一定的意义。
本研究在实验室条件下组建模拟沼气发酵罐,并用于研究发酵液中添加尿素对沼气发酵的影响。发酵采用批量式发酵工艺,发酵原料为新鲜牛粪,在常温下发酵罐稳定运行了45天。研究结果表明,与不添加尿素的对照组相比,添加1000 mg/L的尿素可以有效提高沼气发酵基质的利用率,并提高沼气中甲烷含量,该系统中发酵原料总固体(Total Solid,TS)消耗率提高1.79％,挥发性固体(Volatile Solid,VS)消耗率提高4.36％,甲烷产量提高8.4％;添加3000mg/L尿素使发酵原料TS消耗率降低1.59％,但是VS消耗率提高2.28％,产甲烷量提高5.4％;添加5000mg/L尿素则会对发酵原料的利用产生抑制效果,TS、VS消耗率分别降低3.04％、3.72％,甲烷产量降低4.2％。
利用变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)对发酵过程中的微生物群落多样性进行了分析。从细菌的DGGE图谱和图谱的聚类分析结果可以发现,添加尿素之后,发酵系统中的微生物群落结构和多样性都发生了变化,而且添加的尿素浓度越大,细菌群落结构和多样性与对照组的差异性越大。在发酵系统中发挥作用的细菌主要属于拟杆菌、厚壁菌、螺旋菌,其中很多和未培养细菌具有较高的相似性。添加1000 mg/L和3000 mg/L浓度的尿素对增加发酵系统中细菌的多样性有一定的作用,但激活的细菌类别没有种属偏向性,既有拟杆菌,也有厚壁菌。分析发现,各实验组样品DNA经过DGGE分离出的古细菌条带数量较少,说明发酵系统中的古细菌多样性较低,但是所分离出的条带亮度都较深,说明发酵系统中所存在的古细菌丰富度较高。随着尿素浓度的增大,古细菌多样性越丰富。添加尿素之后,产甲烷菌中的甲烷微菌和甲烷八叠球菌活性增强,繁殖较多,种群丰富度增加。
随着对沼气发酵过程及其外源添加物的研究,进一步揭示沼气发酵微生物的作用机理及变化规律,改善和优化发酵工艺,促进发酵系统微生物的活性和代谢,提高发酵各阶段的作用效率,最终提高沼气量和甲烷产量将成为可能。