2.3 红外光谱特征变化傅立叶红外光谱能反映有机物中官能团结构组成。如图6所示, 发酵前3种植物茎叶在850~900 cm-1都没有检测到任何的特征峰, 但发酵后此波数范围内却出现了一个在空白组中也检测到的单肩尖峰, 推测该峰可能是菌种中有机质的特征峰, 而非作物茎叶降解后形成的特征峰。发酵前枇杷茎叶和葡萄茎叶分别在1 700~1 750 cm-1、1 250~1 375 cm-1有一单肩弱峰, 但这2个单肩峰在发酵后却消失了。已有峰的消失和新峰的出现表明发酵过程中作物茎叶发生了分解, 导致某些原有的有机官能团消失和新官能团形成。

图6Figure OptionViewDownloadNew Window 图6 厌氧发酵前后供试植物茎叶的红外特征变化

沼气产量能够直接反映厌氧发酵过程和发酵效率。如图7所示, 空白组日产气量在第一天达到8 mL, 之后日产气量几乎都为0; 葡萄茎叶日产沼气量在前20 d较高, 之后日产气量降到5 mL以下, 且零产气量天数增多; 枇杷茎叶日产气量在前70 d波动较大, 最高日产气量达到25 mL; 茭白茎叶日均产气量在前40 d整体较高, 最高达到了40 mL, 日产气量超过10 mL的时间也达到了20 d。从日产气量有效持续时间可以判断, 供试植物中茭白茎叶产气潜力最高。结合图1中pH的变化, 在整个发酵过程中3种植物茎叶发酵体系酸碱度适中, 零日产气量的出现可能与底物浓度低、微生物出现了贫营养的饥饿状态有关。

图7Figure OptionViewDownloadNew Window 图7 供试植物发酵产沼气动态

累计产气量不仅能表明底物的产气潜力, 也能反映发酵过程中底物的降解效率。如图7所示, 空白组累计产气量只有10 mL左右, 说明在缺乏底物的条件下细菌只能利用自身细胞质作为碳源和氮源进行内源呼吸, 产气量有限。供试植物中, 茭白茎叶累计产气量最高(400.8 mL), 枇杷茎叶次之(250.8 mL), 葡萄茎叶最低(157.5 mL), 茭白茎叶的累计产气量分别是葡萄茎叶和枇杷茎叶的2.5倍和1.6倍。此外, 葡萄茎叶20 d累计产气量接近总产气量的90%, 其产气潜力几乎完全释放。枇杷茎叶发酵体系在40 d和70 d分别达到一个产气量峰值, 70 d之后累计产气量趋于稳定。茭白茎叶的累计产气量不仅在前40 d快速增加, 即使是在40 d之后其累计产气量也依然在缓慢增加。

甲烷是沼气中唯一的可燃组分, 其在沼气中的体积分数不仅决定了沼气的品质, 而且直接反映了产甲烷菌的代谢活动。当发酵体系严重酸化时, 沼气中的二氧化碳体积分数显著上升, 而甲烷的体积分数明显下降, 且二氧化碳的体积分数高于甲烷[6]。如图8所示, 3种供试植物日产甲烷量的分布趋势与日产沼气量相似。茭白茎叶日产甲烷量在前40 d中超过5 mL的时间达到了15 d, 最大值为每天20 mL, 之后日产甲烷量依然保持在2~3 mL。枇杷茎叶日产甲烷量峰值出现在30~80 d, 最高日产量为16.5 mL, 但80 d后日产甲烷量下降, 且日产量达到1.5 mL的天数不到10 d, 其余时段内日产量几乎为0。葡萄茎叶日产甲烷量只在10~20 d超过了5 mL且最大日产量为13 mL, 其余时段内的日产量都不到2.5 mL, 且零产甲烷天数较多。显然, 茭白茎叶的产甲烷潜力较枇杷茎叶和葡萄茎叶大, 且产甲烷最快, 说明茭白茎叶能较容易地被发酵过程中不同阶段的微生物代谢利用, 并最终转化成为能源性气体— — 甲烷。

图8Figure OptionViewDownloadNew Window 图8 供试植物发酵产甲烷动态

供试植物的累计产甲烷量变化趋势与累计产沼气量相似。茭白茎叶累计产甲烷量最高(182.3 mL), 枇杷茎叶次之(91.4 mL), 葡萄茎叶的累计产甲烷量最低(37.5 mL), 葡萄茎叶的累计产甲烷量只有茭白叶的1/5。茭白茎叶在前40 d的产甲烷速率在整个发酵周期内最高, 明显高于其他2种植物茎叶的产甲烷速率。在40 d后, 茭白茎叶发酵体系的甲烷产量仍在缓慢增加, 但枇杷茎叶和葡萄茎叶发酵体系的累计甲烷产量在最高产气速率之后就几乎稳定不变了。这表明, 茭白茎叶中最易降解的成分被微生物快速利用后, 剩下的有机组分仍能够缓慢地被微生物代谢降解, 但枇杷茎叶和葡萄茎叶中的剩余有机组分却难以被微生物进一步利用。就累计产甲烷量达到稳定的时间而言, 葡萄茎叶达到稳定的时间是茭白茎叶的1/2, 而枇杷茎叶有2个亚稳定时间(分别是40和70 d)。结合累计甲烷产量变化趋势, 葡萄茎叶较短的稳定时间表明葡萄茎叶中易降解成分含量低, 有效发酵时间短, 产气量(沼气和甲烷)低。枇杷茎叶有2段稳定时间, 说明枇杷茎叶中易代谢降解成分含量也较低, 但难降解成分含量并没有葡萄茎叶高, 故而在最易降解的有机组分被利用之后, 剩下的有机组分还能够在微生物协同作用下被缓慢代谢利用并出现第2个产气稳定期。

如表3所示, 3种植物茎叶的半纤维素含量下降幅度都超过了70%, 纤维素含量下降幅度只有茭白茎叶达到了28.34%, 木质素含量反而上升。这表明半纤维素对产甲烷的贡献率基本能达到70%以上, 而纤维素的贡献率只有茭白茎叶达到了30%左右, 木质素对3种植物茎叶的产甲烷贡献率均为0。发酵后3种供试植物中半纤维素含量均大幅下降, 而木质素含量不降反升。这说明半纤维素是厌氧微生物最易利用降解的组分, 而木质素较难被微生物代谢降解[7]。枇杷茎叶和葡萄茎叶半纤维素含量下降幅度较茭白茎叶小, 原因可能是葡萄茎叶和枇杷茎叶中黄酮类和多酚类物质在水解产酸阶段被释放进入液相产物, 对厌氧微生物, 特别是产甲烷菌的生理代谢产生了一定的抑制作用[7, 8], 从而导致葡萄茎叶和枇杷茎叶发酵体系产气量较小。

表3表3 表3 供试植物茎叶发酵后木质纤维素相对含量降幅供试材料半纤维素/%纤维素/%木质素/%枇杷72.261.10-31.70葡萄83.79-8.36-7.65茭白93.9328.34-84.84 表3 供试植物茎叶发酵后木质纤维素相对含量降幅