蘇良湖，陳 梅，孫 旭，陳玉東，張龍江

(環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042)

全球氣候變化和能源安全等原因，近年來(lái)促使可再生能源(尤其是生物質(zhì)能)迅速發(fā)展[1]。在眾多生物質(zhì)種類中，規(guī)模龐大的木質(zhì)纖維素材料，特別是作物秸稈，是一個(gè)富有吸引力的來(lái)源[2]。通過(guò)物理化學(xué)方法或生物過(guò)程，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)可轉(zhuǎn)化為甲烷、乙醇、丁醇、異丁醇、氫或其他能源產(chǎn)品[3]。在我國(guó)農(nóng)村地區(qū)，作物秸稈的禁燒政策面臨巨大壓力，禁而不止現(xiàn)象突出，也迫切需要尋求潛在的技術(shù)解決方案。厭氧消化被廣泛認(rèn)為是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的重要途徑，是一種有前景、發(fā)展中的作物秸稈綜合利用技術(shù)[4]。

作物秸稈的細(xì)胞壁由纖維素(w為9%～80%)、半纖維素(w為10%～50%)和木質(zhì)素(w為5%～35%)組成[5]。在分子水平上，纖維素(C6H10O5)n是由D-葡萄糖以β(1→4)共價(jià)鍵鏈接而成。而纖維素的β(1→4)共價(jià)鍵使得多糖幾乎不可以被動(dòng)物所消化(除反芻動(dòng)物外)[6]。半纖維素是無(wú)定形物質(zhì)，由各種糖單元相互連接形成，容易被消化[6]。木質(zhì)素可阻礙微生物(細(xì)菌、真菌等)滲透，是細(xì)胞壁中最難以降解的部分[6]。此外，木質(zhì)素和半纖維素以共價(jià)鍵形式結(jié)合，將纖維素分子包埋在其中，形成一種天然屏障，使微生物和酶不易與纖維素分子接觸，更增加了降解難度[7]。

水解是秸稈等纖維素基質(zhì)厭氧消化的限制步驟。一種有效提升秸稈厭氧消化性能的方法是預(yù)處理，包括增加可接觸表面積、纖維素去結(jié)晶化、去除半纖維素和去除/改變木質(zhì)素[8]。目前已開(kāi)發(fā)了各種秸稈預(yù)處理技術(shù)[8-10]，如物理預(yù)處理(粉碎、蒸汽爆炸、水熱、微波和照射)、化學(xué)預(yù)處理(酸、堿、氨化、氧化和離子液體)和生物預(yù)處理(真菌和酶)等。

反芻動(dòng)物瘤胃系統(tǒng)的瘤胃液含有厭氧細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和產(chǎn)甲烷菌等[11]，可為作物秸稈的高效厭氧消化提供潛在策略。在反芻動(dòng)物體內(nèi)，瘤胃是高負(fù)荷纖維素高效分解的原位微生物生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)頑固的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)表現(xiàn)出很高的降解潛能[12]，特別是具有更高的水解和酸化效率。由于具有較高的纖維素降解活性，相較于傳統(tǒng)接種物(如厭氧活性污泥)，瘤胃微生物可顯著提高木質(zhì)纖維素的降解率。HU等[12]研究顯示，在玉米秸稈液相厭氧消化中，相較于傳統(tǒng)的污水污泥，以瘤胃微生物作接種物可多產(chǎn)生28%的揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids，VFAs)。YUE等[3]發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于其他來(lái)源的接種物，瘤胃微生物對(duì)木質(zhì)纖維素表現(xiàn)出更快的攻擊性。

筆者以水稻、小麥和高粱等谷類秸稈為研究對(duì)象，以奶牛瘤胃液為接種物，研究其厭氧消化產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷規(guī)律，并探討消化液溶解性有機(jī)物(DOM)的三維熒光光譜變化特征，以期為谷類秸稈的資源化利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

水稻、小麥和高粱秸稈采集自江蘇省淮安市某農(nóng)場(chǎng)，經(jīng)晾曬后用破碎機(jī)粉碎并過(guò)0.42 mm孔徑篩。谷類秸稈的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。高粱秸稈揮發(fā)性固體(volatile solid，VS)質(zhì)量含量為93.98%，而水稻秸稈僅為87.30%。秸稈由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，采用全自動(dòng)纖維分析儀(ANKOM 2000i，ANKOM Technology, USA)測(cè)定。水稻、小麥和高粱秸稈的纖維素和半纖維素質(zhì)量含量之和分別為64.19%、66.19%和65.58%，小麥秸稈具有更高的木質(zhì)素質(zhì)量含量(9.01%)。瘤胃液取自屠宰場(chǎng)，奶牛屠宰后，迅速取出其瘤胃內(nèi)容物，經(jīng)3層紗布過(guò)濾后，快速將過(guò)濾后的瘤胃液轉(zhuǎn)運(yùn)至保溫桶，將保溫桶置于39 ℃恒溫箱(DNP-9052，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司，中國(guó))中培養(yǎng)，瘤胃液pH值為6.87。

厭氧消化采用全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)(BMP-RTK，湖北洛克泰克儀器有限公司，中國(guó))。厭氧消化瓶容積為500 mL，置于恒溫水浴(±0.1 ℃)中，并配有0～160 r·min-1電動(dòng)攪拌單元、CO2吸收單元(4 mol·L-1NaOH溶液)和氣體測(cè)量單元(精度1 mL)。

表1谷類秸稈的基本性質(zhì)

Table1Thefundamentalcharacteristicsofcerealstraw

秸稈種類質(zhì)量含水率/%w/%揮發(fā)性固體纖維素半纖維素木質(zhì)素水稻8.73±0.0087.30±0.2243.7920.407.21小麥10.26±0.0289.13±0.1142.5923.609.01高粱9.21±0.0193.98±0.0543.3822.207.72

1.2 試驗(yàn)流程

谷類秸稈進(jìn)一步粉碎后過(guò)0.15 mm孔徑篩，用于厭氧消化試驗(yàn)。緩沖液成分[13]：NaHCO3，8 g·L-1；CaCl2·2H2O，0.03 g·L-1；KH2PO4，1 g·L-1；K2HPO4，3 g·L-1；MgCl2·6H2O，0.08 g·L-1；NH4Cl，0.18 g·L-1；緩沖液pH值為8.94。厭氧消化的底物(以VS計(jì))質(zhì)量濃度為10 g·L-1，發(fā)酵溫度為39 ℃。每個(gè)厭氧消化瓶中瘤胃液接種量為80 mL，緩沖液體積為320 mL，混合液pH值為8.33。為了防止厭氧消化過(guò)程發(fā)酵液pH<6.0，在緩沖液中加入過(guò)量的CaCO3作為固相緩沖劑。定期采集少量消化液，用于測(cè)定pH和產(chǎn)酸性能，以及用于分析三維熒光光譜特征，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)厭氧消化過(guò)程的產(chǎn)甲烷規(guī)律。

1.3 分析方法

三維熒光光譜(three-dimensional excitation emission matrix，3D-EEM)采用三維熒光掃描光譜儀(Aqualog，HORIBA Instruments Inc., USA)分析，配以1 cm×1 cm石英熒光樣品池。熒光掃描光譜儀以氙氣燈為激發(fā)光源，信噪比>20 000∶1。激發(fā)波長(zhǎng)(Ex)范圍為211～618 nm，掃描間隔為3 nm。發(fā)射波長(zhǎng)(Em)范圍為240～600 nm，采用電制冷CCD檢測(cè)器，掃描間隔為3.54 nm。對(duì)測(cè)得的三維熒光光譜，采用Origin 8.0軟件(Origin Lab Inc., USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括利用超純水去除拉曼散射，消除一、二級(jí)瑞麗散射，并同時(shí)測(cè)量UV-Vis吸光光譜校正內(nèi)濾效應(yīng)(inner-filter effect，IFE)。內(nèi)濾效應(yīng)的校正公式為Fideal=Fobs×10(AEx+AEm)/2，其中，F(xiàn)obs和Fideal分別為測(cè)量和校正后的熒光強(qiáng)度，以拉曼單位(R. U.)表示；AEx和AEm分別為激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)的吸光度。對(duì)處理后的三維熒光光譜，采用SOLO+MIA 8.6.1軟件(Eigenvector Research, Inc., USA)進(jìn)行平行因子分析，并通過(guò)核一致性診斷和半劈裂分析(split-half analysis)驗(yàn)證模型。

VFAs檢測(cè)主要針對(duì)乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸和異戊酸。采用島津GC-2014氣相色譜儀(FID，Stabilwax-DA毛細(xì)管色譜柱，30 m×φ0.53 mm×δ0.25 μm)測(cè)定。樣品預(yù)處理方法：厭氧消化液先用硫酸稀釋液酸化，再用高速離心機(jī)(轉(zhuǎn)速為10 000 r·min-1，相對(duì)離心力為10 278)離心10 min，然后取上清液用0.45 μm孔徑親水性濾膜過(guò)濾后裝入2 mL樣品瓶。

pH值測(cè)定采用便攜式pH計(jì)(LAQN twin, Horiba Scientific, Japan)。VS測(cè)定方法：將樣品在105 ℃條件下恒重干燥后，在600 ℃馬弗爐(MXX1200-30，上海微行爐業(yè)有限公司，中國(guó))中灼燒3 h后，計(jì)算VS含量。VS含量用于分析秸稈有機(jī)物的比例。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 消化液pH變化規(guī)律

瘤胃液和緩沖液pH值分別為6.87和8.94，接種量φ為20%，混合后初始pH值為8.33。經(jīng)過(guò)5 d厭氧消化后，水稻、小麥和高粱秸稈的消化液pH值分別迅速下降至6.40、6.25和6.05(圖1)。

圖1 谷類秸稈厭氧消化過(guò)程中pH變化規(guī)律

消化液pH和總揮發(fā)性脂肪酸(total volatile fatty acids，TVFAs)濃度的變化趨勢(shì)相反(圖2)，這表明pH下降主要是由VFAs產(chǎn)生引起的。因此，pH可直接反映產(chǎn)酸性能，并間接反映瘤胃微生物對(duì)秸稈的降解能力。有機(jī)酸被不斷消耗以及消化系統(tǒng)中NH4+的存在，使消化液pH值迅速升高(7.8～8.0)。試驗(yàn)25～30 d時(shí)，厭氧消化體系pH再次下降(約為7.5～7.6)。這可能源于部分較難水解酸化的組分(如木質(zhì)素或被包埋的纖維素)進(jìn)一步被瘤胃微生物降解。

2.2 VFAs的變化規(guī)律

谷類秸稈厭氧消化過(guò)程的VFAs變化規(guī)律見(jiàn)圖2。初始狀態(tài)下，ρ(TVFAs)為840～1 150 mg·L-1，經(jīng)過(guò)5 d厭氧消化后，水稻、小麥和高粱秸稈的ρ(TVFAs)急劇增加至5 140、5 340和5 751 mg·L-1。這顯示出瘤胃微生物可將秸稈有效轉(zhuǎn)化為VFAs，其中，高粱秸稈具有更好的產(chǎn)酸性能。高VFAs濃度并不利于后續(xù)的甲烷產(chǎn)生，當(dāng)ρ(VFAs)超過(guò)2 000 mg·L-1時(shí)纖維素降解就可能被抑制[14]?？瞻捉MTVFAs濃度隨厭氧消化的進(jìn)行，15 d時(shí)達(dá)到峰值(1 777 mg·L-1)，這主要是由于瘤胃中殘余物被瘤胃微生物進(jìn)一步降解導(dǎo)致。隨后，產(chǎn)生的TVFAs被產(chǎn)甲烷菌或其他瘤胃微生物迅速降解，30 d后水稻、小麥和高粱秸稈的ρ(TVFAs)分別為325.7、980.7和235.0 mg·L-1。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水稻、小麥和高粱秸稈的ρ(TVFAs)分別僅為24.63、26.83和13.88 mg·L-1。

進(jìn)一步對(duì)包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸和異戊酸的VFAs種類進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)5 d厭氧消化后，乙酸和丙酸在VFAs中占據(jù)主導(dǎo)作用，水稻、小麥和高粱的ρ(乙酸)分別從621.9、563.0和462.3 mg·L-1上升到2 800、2 868和3 158 mg·L-1，ρ(丙酸)從176.3、131.2和121.3 mg·L-1上升到1 789、1 904和2 081 mg·L-1。異丁酸濃度顯著增加，丁酸、戊酸和異戊酸濃度變化很小。不同秸稈的VFAs濃度變化趨勢(shì)相一致，0～5 d時(shí)產(chǎn)生大量乙酸和丙酸，乙酸和丙酸濃度分別在5～25 d和20～30 d內(nèi)迅速下降。異丁酸主要在0～5 d內(nèi)產(chǎn)生，而后在15～20 d后被迅速利用。厭氧消化過(guò)程的丁酸、戊酸和異戊酸濃度變化規(guī)律類似，在20或30 d內(nèi)小幅波動(dòng)，而后因上述物質(zhì)被瘤胃微生物降解而致其濃度逐漸降低。

扣除空白組，水稻、小麥和高粱秸稈(以VS計(jì))在5 d后的TVFAs產(chǎn)率分別達(dá)410.9、430.9和472.0 mg·g-1。筆者研究中VFAs產(chǎn)率顯著高于水稻秸稈(以VS計(jì))傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵(接種污泥)的0.13～0.29 g·g-1[15]，也明顯高于ZHANG等[14]在水稻秸稈(以VS計(jì))接種瘤胃液時(shí)測(cè)得的0.36 g·g-1。由此可見(jiàn)，筆者采集的奶牛瘤胃微生物對(duì)谷類秸稈具有很好的降解性能。這種產(chǎn)酸性能的差異可能源于秸稈組分、礦物元素、顆粒粒度和瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。其中，水稻秸稈較低的VFAs產(chǎn)率可能在于其具有更低的纖維素和半纖維素組分含量。瘤胃微生物對(duì)谷類秸稈的強(qiáng)水解酸化能力，可為秸稈制備工業(yè)原料(如有機(jī)酸)等資源化利用途徑提供潛在方案。

圖2 谷類秸稈厭氧消化過(guò)程的總揮發(fā)性脂肪酸(TVFAs)和不同揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)種類變化規(guī)律

經(jīng)過(guò)5 d厭氧消化后，不同秸稈TVFAs(扣除空白組)的各組分比例見(jiàn)圖3。

圖3 谷類秸稈厭氧消化5 d后總揮發(fā)性脂肪酸(TVFAs)的組分分布

谷類秸稈被瘤胃微生物降解后產(chǎn)生的有機(jī)酸質(zhì)量含量由大到小依次為乙酸(53.1%～54.6%)、丙酸(40.5%～41.4%)和異丁酸(3.3%～4.2%)，而丁酸(<1.0%)、戊酸(<1.0%)和異戊酸(<0.5%)所占比例很低。在瘤胃系統(tǒng)中，VFA是反芻動(dòng)物賴以生存、保持正常代謝和繁殖的主要能量來(lái)源，可提供反芻動(dòng)物70%～80%的總能量，乙酸、丙酸和丁酸質(zhì)量含量占比可達(dá)95%[16]。雖然筆者研究屬于體外發(fā)酵，環(huán)境條件與反芻動(dòng)物的瘤胃系統(tǒng)存在差異，但乙酸、丙酸和丁酸質(zhì)量含量與自然瘤胃系統(tǒng)(95.1%～96.5%)一致。而丙酸較難被微生物利用，這是因?yàn)槔帽岬奈⑸镆话憔哂懈纳L(zhǎng)速度[17]。WANG等[18]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ρ(丙酸)高于900 mg·L-1時(shí)將會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)酸菌的活性造成不利影響。筆者研究中，厭氧消化初期的ρ(丙酸)高達(dá)1 000 ～2 000 mg·L-1，這將嚴(yán)重影響產(chǎn)甲烷菌的正常代謝，與甲烷產(chǎn)量監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖4)相一致。

2.3 產(chǎn)甲烷規(guī)律

各類秸稈(以VS計(jì))厭氧消化過(guò)程的甲烷累積產(chǎn)量見(jiàn)圖4。水稻、小麥和高粱秸稈的甲烷產(chǎn)量分別為130.3、167.8和140.9 mL·g-1?？鄢瞻捉M，水稻、小麥和高粱的凈甲烷產(chǎn)量分別為66.29、103.79和76.89 mL·g-1。水稻秸稈具有更低的甲烷產(chǎn)量，這可能源于更低的TVFAs產(chǎn)率。不同秸稈的甲烷產(chǎn)量差異與纖維物質(zhì)含量、可發(fā)酵的碳水化合物類型和沼氣的二氧化碳含量等密切相關(guān)。進(jìn)一步參考LI等[19]的方法，采用改進(jìn)型Gompertz模型擬合監(jiān)測(cè)到的甲烷產(chǎn)量，如式(1)所示：

(1)

式(1)中，B(t)為某時(shí)刻谷類秸稈(以VS計(jì))厭氧消化過(guò)程的累積甲烷產(chǎn)量，mL·g-1；A0為溶解性有機(jī)物甲烷累積產(chǎn)量，B0為非溶解性有機(jī)物甲烷累積產(chǎn)量，A0和B0之和為總累積甲烷產(chǎn)量，mL·g-1；μm為最大甲烷產(chǎn)率，mL·g-1·d-1；λ為遲緩期，d；e為2.72；t為厭氧消化時(shí)間，d。

結(jié)果顯示，改進(jìn)型Gompertz模型可較好地描述甲烷的產(chǎn)生規(guī)律(表2)，R2為0.989～0.995。

秸稈粉末(粒徑<0.15 mm)的可溶解性有機(jī)物(如溶解性糖等)，可迅速被產(chǎn)甲烷菌利用而消耗，在短時(shí)間(2 d)內(nèi)快速產(chǎn)生大量甲烷，該數(shù)值可用A0表示。不同谷類秸稈(以VS計(jì))的A0值相近，為35.36～42.14 mL·g-1。根據(jù)改進(jìn)型Gompertz模型

的擬合結(jié)果，水稻和高粱的遲緩期λ分別為11.64和11.07 d，而小麥秸稈的λ為15.30 d。小麥秸稈具有更長(zhǎng)的遲緩期，這與其更低的乙酸降解速率相一致，可能受高濃度丙酸抑制所致。25 d時(shí)，水稻、高粱和小麥ρ(丙酸)分別為121.87、369.24和1 353.2 mg·L-1。水稻、小麥和高粱秸稈的最大甲烷產(chǎn)率μm分別為1.66、2.48和1.79 mL·g-1·d-1。由于小麥秸稈具有更長(zhǎng)的遲緩期和更高的甲烷產(chǎn)量，使得其最大甲烷產(chǎn)率μm高于水稻和高粱秸稈。

底物質(zhì)量以VS計(jì)。

表2谷類秸稈厭氧消化的產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)參數(shù)

Table2Kineticsparametersofmethaneproductionforanaerobicdigestionofcerealstraw

秸稈種類A0/(mL·g-1)B0/(mL·g-1)λ/dμm/(mL·g-1·d-1)R2Adj R2水稻35.36±1.4192.78±2.1611.64±0.671.660.9890.988小麥42.14±1.00118.44±1.5515.30±0.362.480.9950.995高粱34.86±1.26103.64±1.7911.07±0.491.790.9930.993

A0為溶解性有機(jī)物甲烷累積產(chǎn)量，B0為非溶解性有機(jī)物甲烷累積產(chǎn)量，A0和B0之和為總累積甲烷產(chǎn)量；λ為遲緩期；μm為最大甲烷產(chǎn)率；e為2.72。R2為模型擬合的決定系數(shù)，AdjR2為模型擬合的調(diào)整決定系數(shù)。

水稻、小麥和高粱秸稈產(chǎn)甲烷量低的外在原因包括2個(gè)方面。一方面，相當(dāng)部分的碳源被轉(zhuǎn)化為二氧化碳而非甲烷。如水稻、小麥和高粱秸稈在試驗(yàn)5～10 d時(shí)的甲烷產(chǎn)量分別僅為4.74、1.56和0.54 mL，而在該過(guò)程TVFAs濃度分別降低22%、7%和10%，在55 d厭氧消化期間絕大部分TVFAs均被消耗。另一方面，在厭氧消化系統(tǒng)中，過(guò)高的丙酸含量(1 000～2 000 mg·L-1)和VFAs累積抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性。內(nèi)在原因在于以VFAs轉(zhuǎn)化為主要功能的自然瘤胃系統(tǒng)不同于以產(chǎn)甲烷為目的的厭氧消化器。因此，在模擬動(dòng)物消化機(jī)制時(shí)，構(gòu)建可高效降解秸稈并提升厭氧消化性能的人工瘤胃反應(yīng)器，尤為重要。

MENG等[20]和B?SKE等[21]提出的上流式厭氧固相(UASS)-厭氧過(guò)濾(AF)系統(tǒng)，具有用于構(gòu)建作物秸稈厭氧消化人工瘤胃反應(yīng)器的重要潛力。該系統(tǒng)包括一個(gè)上流式的固相厭氧反應(yīng)器(UASS)，并耦合一個(gè)厭氧過(guò)濾器(AF)，通過(guò)厭氧過(guò)濾器的消化液循環(huán)，避免VFAs積累[22]。在自然瘤胃的高負(fù)荷系統(tǒng)中，瘤胃系統(tǒng)降解的產(chǎn)物通過(guò)隔膜被吸收，不會(huì)形成產(chǎn)物的累積及抑制，而UASS-AF系統(tǒng)可仿生該行為。仍需進(jìn)一步探討人工瘤胃反應(yīng)器條件下的谷類秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷性能。

2.4 溶解性有機(jī)物的熒光光譜-平行因子分析(fluorescence excitation emission matrices-parallel factor analysis，EEM-PARAFAC)

筆者利用PARAFAC方法處理采集的40個(gè)厭氧消化液樣品，包括水稻、小麥和高粱秸稈的30個(gè)樣品和空白組的10個(gè)樣品。構(gòu)建的PARAFAC模型穩(wěn)健，半劈裂分析顯示與整體模型相似度為98.5%，共識(shí)別出3個(gè)有效組分(圖5)。其中，組分A1為酪氨酸類物質(zhì)，屬于溶解性微生物副產(chǎn)物類物質(zhì)，激發(fā)波長(zhǎng)為275 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為300 nm，代表氨基酸或者游離態(tài)蛋白質(zhì)[23]。組分A2為色氨酸類物質(zhì)，激發(fā)波長(zhǎng)為280 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為340 nm，屬于蛋白類物質(zhì)。組分A3為低分子量紫外線A波段(ultraviolet A，UVA)腐殖酸類物質(zhì)[23]，激發(fā)波長(zhǎng)為245 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為430 nm，常見(jiàn)于廢水、農(nóng)田和濕地等環(huán)境[23]。

圖5 PARAFAC解析出3種組分的代表性熒光光譜(A1、A2和A3)及對(duì)應(yīng)的熒光光譜負(fù)載(B1、B2和B3)

厭氧消化過(guò)程的3個(gè)組分熒光強(qiáng)度變化規(guī)律如圖6所示。對(duì)于組分A1酪氨酸類物質(zhì)，其熒光強(qiáng)度在0～5 d時(shí)隨著秸稈的水解酸化迅速上升，而后呈逐漸下降趨勢(shì)，但過(guò)程存在波動(dòng)。組分A2色氨酸類物質(zhì)，其熒光強(qiáng)度的變化規(guī)律與組分A1類似，整體上呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)色氨酸類物質(zhì)熒光強(qiáng)度和TVFAs濃度可用冪函數(shù)擬合，AdjR2為0.813 9(圖7)。這表明色氨酸類物質(zhì)與谷類秸稈的水解酸化(特別是VFAs的產(chǎn)生和降解)密切相關(guān)。對(duì)于組分A3腐殖酸類物質(zhì)，在0～30 d時(shí)整體上呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，而后進(jìn)一步上升，趨于穩(wěn)定。空白組酪氨酸類、色氨酸類和腐殖酸類物質(zhì)在厭氧消化過(guò)程均處于逐漸降低趨勢(shì)。

不同秸稈厭氧消化過(guò)程的腐殖化指數(shù)(HIX)如圖6所示。HIX可用于評(píng)價(jià)消化液DOM的芳烴結(jié)構(gòu)聚合程度或者不飽和脂肪族鏈的共軛程度[24]，可表示消化液的腐熟程度[25]。筆者研究中，測(cè)得的HIX均小于4，這表明DOM均來(lái)源于原生或微生物降解[26]?？瞻捉MHIX在0～30 d時(shí)隨時(shí)間變化由0.70逐漸上升至1.20，30～35 d時(shí)大幅上升至2.09，而后趨于穩(wěn)定。在30～35 d時(shí)空白組消化液迅速腐殖化，而該階段消化液VFAs濃度很低，這可能是由于DOM的非有機(jī)酸組分被迅速轉(zhuǎn)化為芳烴結(jié)構(gòu)聚合度更高的物質(zhì)。水稻、小麥和高粱秸稈在厭氧消化初期HIX下降，這歸因于秸稈被高效水解酸化為VFAs，而后隨著VFAs的逐漸降解，HIX整體上呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。不同谷類秸稈HIX變化趨勢(shì)相一致。高粱秸稈在30～35 d時(shí)以及水稻秸稈在45～55 d時(shí)，HIX的下降可能是由于少量木質(zhì)素或包埋纖維素被瘤胃微生物分解所致。

圖6 谷類秸稈厭氧消化過(guò)程的3個(gè)組分熒光強(qiáng)度和腐殖化指數(shù)(HIX)的變化規(guī)律

圖7 色氨酸類物質(zhì)熒光強(qiáng)度和總揮發(fā)性脂肪酸(TVFAs)濃度的關(guān)系

總體上，消化液的腐殖化進(jìn)程與VFAs的產(chǎn)生和降解利用密切相關(guān)，HIX和TVFAs濃度的關(guān)系可用冪函數(shù)擬合(圖8)，AdjR2為0.802 1。這顯示在一定程度上可采用腐殖化指數(shù)來(lái)監(jiān)控谷類秸稈的厭氧消化進(jìn)程以及VFAs降解規(guī)律。

3 結(jié)論

(1)奶牛瘤胃微生物對(duì)谷類秸稈具有很強(qiáng)的水解酸化能力。經(jīng)過(guò)5 d厭氧消化后，水稻、小麥和高粱秸稈(以VS計(jì))的總揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率分別達(dá)410.9、430.9和472.0 mg·g-1。谷類秸稈的產(chǎn)甲烷規(guī)律符合改進(jìn)型Gompertz模型。經(jīng)過(guò)55 d厭氧消化，水稻、小麥和高粱秸稈(以VS計(jì))的甲烷產(chǎn)量分別為66.29、103.79和76.89 mL·g-1。

圖8 腐殖化指數(shù)和TVFAs濃度的關(guān)系

(2)通過(guò)三維熒光光譜耦合平行因子分析(PARAFAC)識(shí)別溶解性有機(jī)物的3個(gè)有效熒光組分，這3個(gè)組分分別為酪氨酸類、色氨酸類和低分子量腐殖酸類物質(zhì)。其中，色氨酸類物質(zhì)的熒光強(qiáng)度與TVFAs濃度呈冪函數(shù)關(guān)系。經(jīng)過(guò)5 d厭氧消化后谷類秸稈溶解性有機(jī)物的腐殖化指數(shù)(HIX)降低，而后呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。