接种比对猪粪中温条件产甲烷潜力的影响.pdf
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1、农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023,42(8):1860-18692023年8月马文林,王安吉.接种比对猪粪中温条件产甲烷潜力的影响J.农业环境科学学报,2023,42(8):1860-1869.MA W L,WANG A J.Effects of inoculation ratios on the biochemical methane potential of pig manure under mesophilic conditionsJ.Journal of Agro-Environment Science,2023,42(8):
2、1860-1869.接种比对猪粪中温条件产甲烷潜力的影响马文林1,2,王安吉2(1.北京建筑大学,北京应对气候变化研究和人才培养基地,北京 102616;2.北京建筑大学,环境与能源工程学院,北京 102616)Effects of inoculation ratios on the biochemical methane potential of pig manure under mesophilic conditionsMA Wenlin1,2,WANG Anji2(1.Beijing Climate Change Response Research and Education Cente
3、r,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing102616,China;2.School of Environment and Energy Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing102616,China)Abstract:This study aimed to explore the effects of different inoculation ratios on the biochemic
4、al methane potential(BMP)of pig manureunder mesophilic conditions.BMP experiments were conducted at(35.00.5)and 3%of the initial volatile solids(VS)concentration atthe ratios of pig manure to inoculum solution of 1 2,1 1 and 2 1,respectively.During the experiment,the methane productions of eachtest
5、were monitored daily,and the physical and chemical indices of the supernatant of fermentation liquid,such as pH,ammonia nitrogen,total nitrogen,and glucose,were measured once every two to three days.At the end of the experiment,16SV4 sequencing was performed onthe microbial communities of all tests
6、under different inoculation ratios.Methane production was the standard condition(1 standardatmospheric pressure,0)volume in each treatment group.The results showed that the cumulative methane production and maximumdaily methane production were positively correlated with the pig manure inoculation ra
7、tio(P0.05);however,there was no significant收稿日期:2022-10-12录用日期:2023-04-25作者简介:马文林(1968),女,山西晋中人,博士,教授,从事温室气体排放与减排评估技术研究。E-mail:基金项目:“十三五”国家重点研发计划课题(2017YFF0211703);现代农业产业技术体系北京市生态循环与低碳发展创新团队项目(BAIC08-2022-SYZ04)Project supported:The National Key Research and Development Program During the 13st Five-
8、Year Plan Period of China(2017YFF0211703);ModernAgricultural Industry Technology System Beijing Ecological Recycling and Low Carbon Development Innovation Team(BAIC08-2022-SYZ04)摘要:为探究不同接种比对猪粪中温产甲烷潜力(BMP)的影响,在(35.00.5)和3%初始挥发性固体(VS)浓度条件下分别按照猪粪与接种液比例为1 2、1 1和2 1的接种比开展猪粪中温BMP实验,实验期间对各反应瓶的日甲烷产生量和发酵液上清液
9、的pH、氨氮、总氮、葡萄糖等理化指标进行连续监测,并在反应结束后对不同接种比实验体系的微生物群落进行16SV4测序。各处理组甲烷产生量均为标准状况(1个标准大气压,0)体积。结果表明:累积甲烷产量和最大日甲烷产生量都与猪粪接种比呈显著正相关关系(P0.05)。在1 2、1 1和2 1三种接种比例下猪粪的BMP分别为(252.055.12)、(250.0716.57)mLg-1和(249.6513.69)mLg-1,其均值为(250.591.28)mLg-1;在微生物群落中,厚壁菌门、拟杆菌门与Cloacimonadota是猪粪厌氧消化系统中相对丰度最高的三类细菌,Halobacterota在产
10、甲烷古菌中占绝对优势,变形菌门和Methanobacterium相对丰度的下降水平与接种比呈负相关关系。修正的Gompertz模型较Logistic模型更适合中温条件下猪粪的厌氧消化动力学分析。研究表明,在中温(35.00.5)和3%初始VS条件下,不同接种比的猪粪BMP值无显著差异(P0.05),从缩短BMP测试时间、提高效率考虑,建议猪粪BMP测试的接种比选取1 2。关键词:厌氧消化;猪粪;接种比;产甲烷潜力;中温条件中图分类号:X713文献标志码:A文章编号:1672-2043(2023)08-1860-10doi:10.11654/jaes.2022-1019马文林,等:接种比对猪粪中
11、温条件产甲烷潜力的影响2023年8月为减缓气候变化,巴黎协定 确定了到2100年末将全球平均气温升幅控制在不超过工业化前水平2 的升温目标,并努力限制在1.5 之内1。甲烷对于全球升温的影响作用,在所有温室气体种类中排位第二,仅次于二氧化碳。联合国粮农组织统计表明,2020年我国因畜禽粪便管理引起的甲烷排放占我国农业活动甲烷排放总量的8.42%2。因此,畜禽粪污管理导致的甲烷排放量对全球升温有不可忽视的潜在负面影响力,需要采取适当的管理策略3。我国是全球生猪饲养量最大的国家,Li等4的研究得出一头猪在其畜牧生命周期内因粪便管理产生1.34 kg甲烷排放量,准确评价我国猪粪管理的甲烷排放量,既利
12、于明确我国在全球温室气体排放管理中的责任担当,也利于摸清家底,更有针对性地制定猪粪管理甲烷减排措施,为我国农业领域乃至全国实现碳中和提供科技支持。IPCC 国家温室气体清单指南 给出了畜禽粪便管理甲烷排放量的计算方法,即粪便管理甲烷排放量等于活动数据以粪便中挥发性固体(VS)质量计的粪便量乘以排放因子(每单位质量粪便VS的甲烷排放质量)。最大产甲烷能力(B0)是估算甲烷排放因子的关键参数5,IPCC 国家温室气体清单指南 针对全球各大洲给出了猪粪便管理B0缺省值(以VS计),亚洲地区为0.29 m3kg-1,使用亚洲水平的缺省值评估我国猪粪管理甲烷排放情况,估算结果会有较高的不确定性。产 甲
13、烷 潜 力(Biochemical methane potential,BMP)可用于评估有机物的产甲烷活性6-7,它是直接获取B0值的常用实验方法。但BMP测试具有条件复杂和周期长等特点8-9,且至今无统一的测试方法,这在很大程度上影响了BMP值测试结果的准确性和可比性。刘翌晨等10研究得出,不同生长期猪粪的BMP(以VS计)有显著不同,妊娠母猪(230 mLg-1)显著低于保育猪(273 mLg-1)与生长猪(272 mLg-1);徐文倩等11于 37 中温条件下得出猪粪的 BMP(以 VS计)为0.38 m3kg-1;杨紫怡12以污水处理厂污泥为接种物在37 中温条件下得出猪粪的BMP为
14、427 mLg-1;Wang 等13研究了中温条件下预热处理对猪粪BMP的影响;张丹志等14分析了猪粪厌氧发酵有机酸代谢与微生物的相关性;王思淇等15研究了猪粪厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸对微生物群落的影响。以上研究表明,不同学者采用不同方法或不同来源接种液对不同猪粪进行BMP和相关指标的分析,得出的测试结果存在较大差异,这将影响到B0值和甲烷排放量估算结果的准确性,有可能加大粪便管理甲烷排放量和减排项目减排量估算的误差,导致误判粪便管理甲烷减排潜力。因此,为使不同研究者得出的BMP具有可比性,取得符合我国实际排放水平的猪粪管理B0值,有必要尽早制定规范统一的BMP测试方法。根据BMP测试方法可
15、知,测试温度、接种液微生物活性、底物与接种液比例、甲烷气体计量方法等多方面因素都可能影响BMP测试结果。本研究选取有机物厌氧反应最普遍使用的中温条件(35)、以微晶纤维素为参照物表征接种液微生物活性、利用能够对甲烷气体体积自动计量并进行标准状态换算的全自动产甲烷潜力仪,研究不同底物与接种液比例对猪粪BMP的影响,以期为提出猪粪BMP统一测试方法提供科学依据。该方法的提出,对降低猪粪管理甲烷排放量核算结果不确定性至关重要。同时,本研究还对不同接种比反应系统的产甲烷过程中消化液的理化指标进行连续监测,并对反应结束后的微生物群落进行分析,以探索接种比对猪粪产甲烷过程中的理化指标变化规律和微生物菌群特
16、征的影响,为开展相关difference in the BMP(calculated by VS)of pig manure under different inoculation ratios(P0.05).The BMPs of pig manure were(252.055.12),(250.0716.57)mLg-1,and(249.6513.69)mLg-1at inoculation ratios of 1 2,1 1,and 2 1,respectively.The mean BMP wascalculated as(250.591.28)mLg-1.Firmicutes,Bac
17、teroides,and Cloacimonadota were the three types of bacteria with the highest relativeabundance in the anaerobic digestion system of pig manure.Halobacterota dominated the methanogenic archaea.The decreasing relativeabundance levels of Proteobacteria and Methanobacterium were negatively correlated w
18、ith the inoculation ratio.The modified Gompertzmodel was more suitable than the Logistic model for anaerobic digestion kinetics analysis of pig manure under mesophilic conditions.Inconclusion,there was no significant difference in BMP values of pig manure with different inoculation ratios under meso
19、philic conditions(35.00.5)and initial VS level(3%).Selecting the inoculation ratio of 1 2 for the BMP test of pig manure is recommended to shortenits measurement time and improve its working efficiency.Keywords:anaerobic digestion;pig manure;inoculation ratio;biochemical methane potential;mesophilic
20、 condition1861农业环境科学学报第42卷第8期机理分析提供参考借鉴。1材料与方法1.1 样品来源与处理本实验所用猪粪样品采集于北京市东部郊区某规模化养殖场的母猪舍。该养殖场总存栏量 1 055头,包括仔猪 380 头、育肥生长猪 570 头和母猪 105头,猪舍采用干清粪方式。从母猪舍漏缝地板采集鲜母猪粪样品,样品于实验室内35 下进行风干处理,除杂后研磨过40目筛备用。本实验以猪粪为底物,以北京市北部某规模养殖场沼气工程(2个容积为50 m3的沼气发酵罐)排放的沼液为接种液。在实验室内对沼液进行除杂处理,并于35 环境下进行为期1个月的培养后备用。在实验开始前分别用燃烧法测定接种
21、液与猪粪的总固体(TS)和灰分含量(以质量计),计算得到其VS值,样品TS、VS与灰分值见表1。1.2 实验装置本研究利用系统(AMPTS-,碧普)和系统(MultiTalent 203,碧臣)两套全自动甲烷潜力测试装置进行猪粪中温厌氧发酵实验,如图1所示,系统和系统的反应瓶反应体积分别为0.4 L和1.6 L。各系统均由厌氧消化单元、二氧化碳固定单元与气体体积测定单元3部分构成。样品消化单元由玻璃发酵瓶、恒温水浴锅与自动搅拌装置组成。二氧化碳固定单元由若干个容积为100 mL的玻璃瓶组成,实验开始前向每个玻璃瓶装入80 mL 3 molL-1的NaOH溶液以吸收厌氧消化单元排出的二氧化碳、硫
22、化氢等酸性气体。为保证不同环境条件下所产生甲烷的体积计量结果具有可比性,仪器将测得的产气量数据自动换算为标准状况(0、1个标准大气压)下的体积。1.3 实验设计系统与系统采用相同的接种液和猪粪样品,各实验组初始总VS水平(猪粪+接种液)均设为3%,反应温度以恒温水浴控制在(35.00.5)。根据实验设定的各反应瓶的反应体积、物料VS含量、初始VS浓度以及物料接种比,计算各反应瓶的物料投入水平,接种比以VS计,计算结果见表2。在各反应瓶添加相应物料后,用纯水补充至相应体积。本实验以猪粪为反应底物,沼液为接种液,将猪粪与接种液的比例分别设置为1 2、1 1与2 1,即接种比(S/I)分别为0.5、
23、1.0和2.0。系统用于测试猪粪的BMP值,共15个反应瓶,各反应瓶反应体积设为0.4 L,分为空白组(CK组,仅含接种液)、纤维素对照组(CG组,纤维素和接种液的比例为1 2)和处理组(M1组、M2组和M3组,S/I分别为0.5、1.0和2.0)3类5个实验组,每组设3个平行实指标IndexTSVS灰分接种液Inoculum6.030.033.230.012.810.02猪粪Pig manure87.991.7464.791.9623.200.26实验组GroupCKCGM1M2M3系统 System 猪粪Pig manure6.179.2612.35接种液Inoculum371.80247
24、.87247.87185.90123.93微晶纤维素Cellulose4.00系统 System 猪粪Pig manure24.7037.0549.35接种液Inoculum1 487.19991.46743.60495.73注:为未添加。Note:means not added.表2 系统和系统各实验组物料投入情况(g)Table 2 Material input for each experimental group in system and system (g)表1 接种液与猪粪的TS、VS与灰分值(%)Table 1 TS,VS and ash values of inoculum
25、and pig manure(%)1.厌氧消化单元;2.二氧化碳固定单元;3.气体体积测定单元1.Anaerobic digestive unit;2.CO2fixed unit;3.Gas volume measurement unit图1 BMP装置示意图Figure 1 Schematic diagram of the BMP apparatus()AMPTS-()MultiTalent 2031231231862马文林,等:接种比对猪粪中温条件产甲烷潜力的影响2023年8月验。实验期间,自动搅拌系统以120 rmin-1的速度间歇进行搅拌工作。BMP测试装置每日自动记录各反应瓶的甲烷产
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