纳米四氧化三铁对厌氧发酵特性及四环素类抗生素降解的影响

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:guofeng1988
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目前关于粪便厌氧发酵的研究主要集中在甲烷产量的方向上,而针对整个过程的效率以及无害化方面的研究相对较少,尤其是关于大中型养殖场畜禽粪便中抗生素的降解研究极少。本研究分别以牛粪和鸡粪为发酵底物,添加不同总(0 mg、10 mg、20mg、50 mg、100 mg)纳米四氧化三铁(Fe3O4 nanoparticles,Fe3O4NPs),分别在35℃和55℃条件下进行恒温厌氧发酵,并对厌氧发酵过程中甲烷产量、p H、总固体含量(TS)、挥发性脂肪酸(VFA)、氨氮(AN)、碱度(Alkalinity)、脱氢酶(DHA)、乙酸激酶(ACK)、辅酶F420以及发酵过程中四种四环素类抗生素含量进行动态监测,以探究温度、纳米颗粒对不同原料的厌氧发酵特性和抗生素降解的影响,期望能得出在抗生素胁迫条件下,最适厌氧发酵的温度和纳米颗粒添加工艺,对含有抗生素粪便的厌氧发酵条件进行优化,为提高发酵产气率及抗生素的去除提供一定的试验基础。结论如下:1. Fe3O4NPs可以提高厌氧发酵底物水解程度,增强发酵系统稳定性,同时可以提升发酵过程中的产气量以及酶活性。添加50 mg Fe3O4NPs使得鸡粪中温35℃和高温55℃发酵过程的产气量提升最高达16%和16.4%;分别添加20 mg、50 mg Fe3O4NPs可以最大提升鸡粪35℃和55℃发酵过程中脱氢酶、乙酸激酶和F420的活性,使得脱氢酶总含量分别提升53.9%和35.6%,同时使乙酸激酶和F420含量达到最优。牛粪在中温35℃和高温55℃发酵过程中,添加10 mg Fe3O4NPs可以最大提高发酵效率,产气量分别提升10%和14%。Fe3O4NPs对牛粪发酵过程中酶活性的影响较鸡粪小,对牛粪35℃发酵过程中各酶活性并未产生促进作用,反而略微抑制;而添加50mg Fe3O4NPs对牛粪55℃发酵过程中脱氢酶总含量提升了44.8%,添加10 mg Fe3O4NPs可以使乙酸激酶和F420酶的活性最强。2. 添加Fe3O4NPs可以不同程度提升发酵过程中四环素类抗生素的降解率,但不同种类抗生素的最适添加量不同。鸡粪35℃发酵过程中土霉素(OTC)、四环素(TC)、金霉素(CTC)和强力霉素(DC)四种四环素类抗生素降解率最高的Fe3O4NPs添加量分别为:100 mg、10 mg、0 mg、和100 mg;鸡粪高温55℃发酵过程中,最适添加量分别为:100 mg、100 mg、10 mg和0 mg。OTC、TC、CTC和DC在牛粪35℃发酵过程中降解率最高的Fe3O4NPs添加量分别为10 mg、100 mg、20 mg和10 mg,在牛粪高温55℃发酵过程中最适添加量分别为:100 mg、100 mg、20 mg和0 mg。土霉素和四环素均在添加100 mg Fe3O4NPs时降解率最高,且半衰期最短。Fe3O4NPs对土霉素和四环素半衰期影响程度高于金霉素和强力霉素。3. 四环素类抗生素在不同发酵条件下作用不同。对鸡粪发酵过程总体表现为抑制,而对牛粪发酵过程的作用随温度变化而变化。四环素类抗生素对鸡粪35℃和55℃发酵过程中总产气量的抑制率分别达到4%和15.98%。四环素类抗生素对于鸡粪35℃发酵前期各酶含量为抑制作用,而在后期抑制作用被解除,且对发酵过程中脱氢酶总含量抑制率达到36.29%。在鸡粪55℃发酵过程中,四环素类抗生素对整个发酵阶段的脱氢酶、乙酸激酶和辅酶F420含量均表现为抑制作用,对脱氢酶含量抑制率达到40.9%。对于牛粪35℃发酵全阶段,四环素类抗生素均表现为抑制作用,总产气量降低10.15%,脱氢酶、乙酸激酶和辅酶F420含量受到抑制,对脱氢酶总含量抑制率达到9.8%。而对牛粪55℃发酵过程却表现为促进作用,使发酵系统启动时间缩短12天,产气量提升14.04%,同时添加四环素类抗生素可以略微促进牛粪55℃发酵过程中脱氢酶、乙酸激酶和辅酶F420含量,对脱氢酶总含量提升9.6%。4. 高温对厌氧发酵特性和抗生素降解更加明显。相对中温35℃,高温55℃可以提高鸡粪和牛粪厌氧发酵特性和产气量,同时温度的提升有利于四环素类抗生素的降解,还可以缩短降解半衰期。在高温下四环素类抗生素的降解率均可以提升5%左右。其中温度对金霉素降解的促进作用最大,在中温条件,金霉素无法完全降解;在高温情况下,金霉素可以在发酵第7天全部降解。
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