摘要 氧化還原電位(Eh)是煤層生物甲烷生成的重要控制因素之一。為了解其對(duì)煤層生物甲烷產(chǎn)出的影響以及產(chǎn)甲烷的動(dòng)力學(xué)過程，在實(shí)驗(yàn)室采用-l02 mV、-l53 mV、-208 mV、-284 mV、-315 mV這5個(gè)氧化還原電位值，對(duì)河南義馬低煤階煤樣品進(jìn)行了生物甲烷模擬產(chǎn)出實(shí)驗(yàn)，采用氣相色譜儀對(duì)不同反應(yīng)階段生成氣體的成分及生成量進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)菌種源中微生物進(jìn)行培養(yǎng)計(jì)數(shù)。結(jié)果表明：①不同Eh條件下的實(shí)驗(yàn)均有甲烷的生成，氧化還原電位較低時(shí)產(chǎn)甲烷菌的繁殖更加快速，在-284 mV時(shí)生物甲烷的濃度最大，-l02 mV時(shí)最??；②通過平板計(jì)數(shù)法，分析了產(chǎn)甲烷過程和細(xì)菌生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理——整個(gè)產(chǎn)甲烷生成過程也是微生物生長(zhǎng)代謝的過程，間接證明了產(chǎn)氣量大小變化的原因。結(jié)論認(rèn)為，Eh對(duì)于煤層生物甲烷的生成具有重要的控制作用。
關(guān)鍵詞 氧化還原電位 低煤階 煤層 生物甲烷 生成 影響 微生物 平板計(jì)數(shù)法
煤層生物甲烷是微生物在適宜的溫度、介質(zhì)條件下對(duì)中低煤階煤作用生成的以甲烷為主的氣體。由于氧化還原電位(Eh)對(duì)微生物活性有著明顯的影響作用[1-4]，因而對(duì)生物甲烷的生成也會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響[5-9]。Hae Sung Jee等發(fā)現(xiàn)甲烷菌的最佳生長(zhǎng)速率和產(chǎn)甲烷速率在Eh介于-370～-500 mV時(shí)為最高[10]。Fetzerh和Conrad指出Eh為+100 mV時(shí)可抑制甲烷菌生成甲烷[11]，但這些研究?jī)H限于解決農(nóng)村能源緊缺與污水處理問題的需要[12-14]，而對(duì)于Eh影響煤降解生物產(chǎn)甲烷卻鮮有報(bào)道。
為了解Eh對(duì)生物氣產(chǎn)出的影響及產(chǎn)甲烷的動(dòng)力學(xué)過程，筆者在模擬低煤階煤層生物甲烷產(chǎn)出的實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)不同Eh條件下的甲烷生成量進(jìn)行了檢測(cè)，同時(shí)探討了煤層甲烷生成能力及細(xì)菌生長(zhǎng)代謝動(dòng)力學(xué)機(jī)理。
1 實(shí)驗(yàn)材料和方法
1．1 實(shí)驗(yàn)用煤樣
實(shí)驗(yàn)所用煤樣為采自河南義馬常村礦的中侏羅統(tǒng)義馬組2層長(zhǎng)焰煤，煤質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用沼液作為外加菌種源[13]，采自焦作市馬村區(qū)農(nóng)家沼氣池。煤樣粉碎至60目，充分烘干后備用。
1．2 實(shí)驗(yàn)室模擬生物甲烷生成實(shí)驗(yàn)
筆者主要研究不同氧化還原電位條件下生物甲烷的生成量及其變化規(guī)律，并探討甲烷在不同反應(yīng)階段的生成方式。
1．2．1 產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)
為探討不同Eh對(duì)CH4生成量的影響，本實(shí)驗(yàn)以向反應(yīng)樣品加入同體Na2S的方法調(diào)節(jié)Eh。稱取處理后的煤樣若干份，l
樣品密封后放入恒溫生化培養(yǎng)箱中，
1．2．2 細(xì)菌的平板計(jì)數(shù)法實(shí)驗(yàn)
在產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)每組反映瓶中的細(xì)菌進(jìn)行分離培養(yǎng)，然后進(jìn)行平板計(jì)數(shù)。由于礦井水中菌種濃度較低，故采用活菌計(jì)數(shù)法對(duì)主要菌種進(jìn)行計(jì)數(shù)?；罹?jì)數(shù)法，旨在讓每個(gè)活細(xì)菌在適宜的培養(yǎng)基和良好的生長(zhǎng)條件下都可以通過生長(zhǎng)形成菌落。
具體操作步驟如下：
1)配置培養(yǎng)基和生理鹽水。
2)將配好的藥品、試劑等高壓滅菌。
3)取出滅菌后的物品，放入?yún)捬豕ぷ髡緝?nèi)，倒平板，待平板冷卻后備用。
4)用稀釋倍數(shù)法把細(xì)菌接種到相應(yīng)的平板上。
5)將接種好的平板置于厭氧罐內(nèi)，利用多功能智能厭氧裝置抽真空后充入混合氣(甲烷、氫氣和氮?dú)?span lang="EN-US">)，于恒溫培養(yǎng)箱(
1．3 檢測(cè)方法
氣體的生成量、成分及濃度的檢測(cè)利用北分-瑞利SP-2100型氣相色譜儀。采用進(jìn)樣針手動(dòng)進(jìn)樣，每次取氣體樣1 mL，每個(gè)樣進(jìn)2次，取平均值以減少手動(dòng)進(jìn)樣誤差。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)室條件下，樣品在不同Eh條件下均可持續(xù)生成CH4，同時(shí)生成了C02、N2及其他氣體。不同Eh條件下氣體生成量及氣體濃度如表3，圖l、2所示。
1)不同Eh條件下，煤樣的氣體生成總量不同。隨Eh的降低，產(chǎn)氣量也逐漸增大，在Eh為-284 mV和-315 mV時(shí)，產(chǎn)氣量最多，分別為28．6 mL／g和22．0 mL／g，Eh為-l02 mV時(shí)，產(chǎn)氣量最少，為5．8mL／g，這說明隨著Eh的降低，產(chǎn)氣總量基本趨勢(shì)是變大的。
2)不同Eh條件下，煤樣的CH4生成量和濃度與生成氣體總量的變化趨勢(shì)類似，從-102 mV到-315mV，呈總體逐漸上升趨勢(shì)，在-284 mV時(shí)和-315mV時(shí)分別為22．
3)Eh值對(duì)菌種總量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)反應(yīng)瓶中的細(xì)菌進(jìn)行接種培養(yǎng)，并采用活菌計(jì)數(shù)法對(duì)菌種量進(jìn)行計(jì)數(shù)得出表4。
從接種培養(yǎng)的結(jié)果可以看出，細(xì)菌的生長(zhǎng)個(gè)數(shù)與氧化還原電位有一定的關(guān)系，在高氧化還原電位時(shí)產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量較少，隨著氧化還原電位的降低，基本趨勢(shì)是細(xì)菌生長(zhǎng)的個(gè)數(shù)越來越多。由此認(rèn)為，氧化還原電位是產(chǎn)甲烷發(fā)酵的重要限制因子，較低的適合的氧化還原電位可以促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌體內(nèi)的酶系的活性，使其調(diào)整代謝方式和速率，加快生長(zhǎng)繁殖。另對(duì)-284mV的氧化還原電位值的產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行為期90d的培養(yǎng)觀察，菌種的平板培養(yǎng)結(jié)果如圖3～5所示。
微生物的生長(zhǎng)特性與生物甲烷的產(chǎn)出過程密切相關(guān)的：經(jīng)過厭氧處理，放入
3 結(jié)論
筆者在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬了不同Eh條件下生物甲烷生成的情況，對(duì)不同條件下產(chǎn)出的氣體及甲烷含量進(jìn)行分析，并對(duì)甲烷在不同反應(yīng)階段的生成方式進(jìn)行了探討，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
1)Eh對(duì)甲烷的生成具有重要的影響作用，較低的氧化還原電位對(duì)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)有利，Eh在-284mV時(shí)最適宜甲烷的生成，此時(shí)生成的氣體總量和甲烷氣體濃度為最大。
2)通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后反應(yīng)瓶中的產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行培養(yǎng)計(jì)數(shù)，經(jīng)幾十天的培養(yǎng)和連續(xù)觀察也可以得出產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)代謝的全過程，間接證明了產(chǎn)氣量最大的原因。
參考文獻(xiàn)
[1] APHA．Standard methods for the examination of water and wastewater[s]．Washington DC：American Public Health Association，1998．
[2] DIAS J M L，LEMOS P C，SERAFIM l．S，et al．Recent advances in polyhydroxyalkanoate production by mixed aerobic cultures：from the substrate to the final product[J]．Macromolecular Bioscience，2006，6(11)：885-906．
[3] 劉朋波，徐佳杰，付水林，等．l，3-丙二醇發(fā)酵中氧化還原電位的變化與控制[J]．化學(xué)與生物T程，2008，25(3)：45-48．
[4] 鄭繼岱，徐國(guó)謙，儲(chǔ)炬，等．利用氧化還原電位調(diào)控乳酸發(fā)酵[J]．生物加工過程，2008，5(6)：73-77．
[5] 李明宅，張洪年，劉華，等．生物氣模擬試驗(yàn)的進(jìn)展[J]．石油與天然氣地質(zhì)，l996，17(2)：117-122．
[6] SFIDH J，EITEMAN M A．Influence of redox potential on product distribution in Clostridium thermosuccinogenes[J]．Applied Biochemistry and Biotechnology，1 999(82)：91-101．
[7] 李明宅，張輝．煤的厭氧降解產(chǎn)氣作用[J]．天然氣工業(yè)，1998，18(2)：10-12．
[8] KASTNER J R，EITEMAN M A，LEE S A．Effect of red ox potential on stationary-phase xylitol fermentations using Candida tropicalis[J]．Applied Microbiology and Biotechnology，2003(63)：96-l00．
[9] 關(guān)德師．甲烷菌的生存條件與生物氣[J]．天然氣工業(yè)，1990，10(5)：13．
[10] HAE SUNG JEE，NISHIO NAOMICHI，NAGAI SHIR0．Influence of redox potential on biomethanation of H2 and C02 by methanobacterium thermoautotrophicum in Eh Stat batch cultures[J]．Journal of General Applied and Microbiology，l987，33(5)：401-408．
[11] FETZER SILKE，CONRAD RALF．Effect of redox potential on methanogenesis by Methanosarcina barkeri[J]．Archives of Microbiology，1993，1 60(2)：108-113．
[12] BOUALI．AGUI H，CHEIKH R BEN，MAROUANI L，et al．Mesophilic biogas production from fruit and vegetable waste in a tubular digester[J]．Bioresource Technology，2003，86(1)：85-89．
[13] APHA．Standard methods for the examination of water and wastewater[S]．Washington DC：American Public Health Association，1998．
[14] 張英，王曉波，李瑾，等．不同類型有機(jī)質(zhì)生物產(chǎn)甲烷模擬實(shí)驗(yàn)研究[J]．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2009，31(6)：633-636．
本文作者：夏大平陳鑫 蘇現(xiàn)波 吳昱
作者單位：河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉(zhuǎn)賬贊助
微信轉(zhuǎn)賬贊助
