【摘 要】
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餐厨垃圾厌氧消化系统稳定性差,极易受环境、有机负荷等因素影响,而添加生物炭可以有效改善系统稳定性能。抗生素菌渣产量巨大,同时富含有机质,将抗生素菌渣制备成生物炭,可以消除抗生素菌渣污染特性、切断抗生素抗性基因的生态风险。本研究基于“以废治废”、“变废为宝”的理念,制备不同材质和不同热解温度的生物炭,添加至餐厨垃圾厌氧消化系统中,以期探明抗生素菌渣生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化系统稳定性调控的可行性。
【基金项目】
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山东省重点研发计划(公益类专项,2018GSF117035); 山东省高校科技计划项目(J17KA112);
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餐厨垃圾厌氧消化系统稳定性差,极易受环境、有机负荷等因素影响,而添加生物炭可以有效改善系统稳定性能。抗生素菌渣产量巨大,同时富含有机质,将抗生素菌渣制备成生物炭,可以消除抗生素菌渣污染特性、切断抗生素抗性基因的生态风险。本研究基于“以废治废”、“变废为宝”的理念,制备不同材质和不同热解温度的生物炭,添加至餐厨垃圾厌氧消化系统中,以期探明抗生素菌渣生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化系统稳定性调控的可行性。首先,采用序批式试验探究了大观霉素菌渣生物炭(DGBC)、泰乐霉素菌渣生物炭(TLBC)和玉米秸秆生物炭(YMBC)对产甲烷潜能的影响;而后,设计3因素3水平正交试验,采用半连续运行方式模拟生物炭添加在实际生产运行方式下对厌氧消化系统的影响,采用宏基因组测序技术探析了系统内微生物群落演替、代谢途径及抗生素抗性基因等变化规律,得到主要结论如下:(1)通过对不同热解温度和不同材质制备成的生物炭表征特性分析,发现500℃是改变产炭率、表观特性和官能团种类、数目的关键温度;DGBC具有丰富的碱性官能团(-OH、-CO32-)和碱金属、碱土金属(K、Ca等),其p H呈碱性且Zeta绝对值较大,具备促进直接种间电子传递(DIET)的潜在优势。(2)采用Gompertz动力学模型对序批式餐厨垃圾厌氧消化产甲烷试验数据拟合知,DGBC组最大产甲烷潜能和最大产甲烷率分别比对照组提高了15.26%和40.02%。与对照组相比,添加DGBC提高了复合型产甲烷菌(Methanothrix)、挥发性脂肪酸降解菌(Thauera、Syntrophorhabdus等)的相对丰度;提高了产甲烷代谢途径的相关编码基因(mtr A、mtr D、mcr A等)和糖酵解中关键酶的相关编码基因(ACSS、cdh C、ack A等)的丰度,有利于提高厌氧消化系统产甲烷性能及稳定性。(3)半连续餐厨垃圾厌氧消化正交试验表明,采用600℃菌渣生物炭、15g/L炭添加量、4.5 g VS/(L·d)餐厨垃圾有机负荷条件,对系统产甲烷率促进效果最优。较高热解温度制备的生物炭和较高炭添加剂量可提高氢营养型产甲烷菌(Methanoculleus)和水解酸化菌(Firmicutes)的相对丰度。添加菌渣生物炭可有效提高乙酸降解关键酶的相关基因(ACSS、acs、cdh C)、丙酸降解关键酶的相关基因(ACSS、acs、por D)、丁酸降解关键酶的相关基因(ACSM、E2.3.1.9、ato B)及产甲烷代谢途径关键功能基因(mtr A、mcr A、mcr B)丰度,一定程度上促进了乙酸、丁酸、丙酸降解,缓解了系统酸化,有利于促进厌氧消化产甲烷代谢途径。(4)对添加菌渣生物炭(BC)组和对照(CK)组的抗性基因与微生物群落进行Spearson相关性分析发现:在CK组中,tet X的潜在宿主是Aminobacterium,Methanosarcina、Proteiniphilum可能是多种ARGs(erm F、sul 2、tet O、sul 1)的潜在宿主,tet W的潜在宿主高达7属(Clostridium、Tissierella、Allofustis、Hespellia、Erysipelothrix、Desulfohalotomaculum、Clostridioides);而在BC组中,tet W和sul 1的潜在宿主分别是Bacillus,Pseudomonas;随着DGBC制备温度由400℃升高至600℃,Pseudomonas和Aminobacterium的相对丰度在BC组中均有降低,且未在BC组中测到tet X的潜在宿主。因此添加DGBC可改变宿主微生物演替,影响ARGs对潜在宿主选择,降低ARGs(tetX、tetW、sul1)的传播风险。
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