3結(jié)果

糞液中的pH值在對照糞液中為7.5，在來自糞坑的酸化糞液中為5.7，在來自儲罐的酸化糞液中為5.5。

一級反應(yīng)動力學(xué)描述了樣品的化學(xué)耗氧量。測得的氧消耗與指數(shù)衰減函數(shù)的擬合非常好（酸化樣品的r2>0.99，新鮮樣品的r2>0.96）。示例見圖1A。樣品中的COCR，表示為衰減常數(shù)k1b，如表1所示。

氧化樣品的氧濃度下降是線性的，表明主要是零階動力學(xué)（圖1B）。氧化樣品和未處理污泥中觀察到BOCR的類似模式（表1）。酸化污泥樣品的BOCR分別為102.7、6.9和0.8mM/min，對未處理污泥、污泥坑和儲罐的酸化污泥而言。

從未處理的樣品的測量數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出了隔離的反應(yīng)常數(shù)k1a和k1b（表1）。從TOCR中推導(dǎo)出的污泥坑的酸化污泥的BOCR（圖1C）約為新鮮污泥速率的11％（3.3mM O?/min），而儲罐中的酸化污泥的氧化異養(yǎng)微生物活性幾乎為零，低于新鮮污泥速率的1％。

圖1酸化糞便池中耗氧模式示例。

圖1——糞液酸化泥漿的。測得的數(shù)據(jù)（空心圓）。擬合數(shù)據(jù)（實(shí)線）。

（A）具有一級反應(yīng)動力學(xué)的巴氏滅菌漿料的化學(xué)耗氧量。一階指數(shù)衰減擬合（實(shí)線）：大氣飽和分?jǐn)?shù)（O2）=0.39e-0.144t。

（B）顯示線性衰減的含氧糞液樣品的生物耗氧量。零階線性衰減擬合（實(shí)線）：大氣飽和分?jǐn)?shù)（O2）=-0.00234t+0.8616。

（C）具有組合的零級和一級反應(yīng)動力學(xué)的酸化糞液的總耗氧量。組合零階和一階衰減（實(shí)線）：大氣飽和分?jǐn)?shù)（O2）=0.52e-0.21t-0.009t。

表1以一階反應(yīng)動力學(xué)的衰減常數(shù)表示的氧化學(xué)耗氧率（巴氏處理樣品，僅化學(xué)耗氧），以及零級反應(yīng)動力學(xué)的耗氧率（氧化的樣品，僅生物耗氧）

酸化糞液中總H2S（[H2S]+[SH?]）的濃度在0.4至0.6mM之間，其中超過97％為游離硫化物。未處理控制污泥樣品中硫化物的總濃度為2-4mM，從而產(chǎn)生0.6-1.2mM的游離硫化物濃度。降低pH至<1后，酸化污泥中還生成了0.16-0.27mM的硫化物。

在新鮮糞液中，SRR為0.15mM/d（SE=0.035mM/d），硫酸根濃度為2.2mM。在硫酸鹽濃度約為100mM的糞坑和儲罐的酸化糞液中，硫酸還原無法檢測到（<0.005mM/d）。

孵育期間，甲烷產(chǎn)生是恒定的（圖2）。在儲罐中的酸化糞液中存在可檢測到的（p<0.05）甲烷產(chǎn)生（0.09mM CH4/d SE=0.025）。最近酸化的糞液坑中的甲烷產(chǎn)生速率為3.72mM甲烷/d SE=0.048。與控制糞液相比，這比新鮮非酸化糞液中的速率（7.61mM CH4/d SE=0.105）低了一半多。

圖2甲烷在未處理的對照糞液（灰色菱形）、糞便池糞液（深灰色三角形）和儲罐糞液（黑色正方形）培養(yǎng)樣品隨時(shí)間的頂空積累。

表2糞液中揮發(fā)性脂肪酸和硫化物濃度

總的短鏈（C2-C5）揮發(fā)性脂肪酸（VFA）含量在對照糞液中為55 mM，在經(jīng)過酸化處理的糞便池糞液中為150 mM，在儲罐糞液中為153 mM（表2）。在糞便池糞液中的pH為5.7，在儲罐中的pH為5.5，這時(shí)150和153 mM的總VFA濃度分別相當(dāng)于游離質(zhì)子化的短鏈VFA約20 mM（池）和25 mM（儲罐）。對照糞液在pH 7.5時(shí)的55 mM總VFA相當(dāng)于<1 mM的游離質(zhì)子化VFA。

4.討論

豬腸道中的硫酸鹽還原菌和甲烷生成菌主要適應(yīng)中性甚至略帶堿性條件，當(dāng)它們進(jìn)入糞便池時(shí)，會經(jīng)歷約2個單位的pH下降。這對這些微生物的影響尚不清楚，但鑒于糞便池和儲罐中的延長滯留時(shí)間，人們預(yù)期會出現(xiàn)更多厭氧菌酸性菌株的生長和存在。因此，可能會發(fā)生高硫酸鹽還原速率和來自酸性菌株的甲烷生成。然而，目前的結(jié)果表明，與未處理的糖化液相比，存儲的酸化糖化液中厭氧過程的生物活性減少了超過98%。盡管底物濃度很高，但在酸化糖化液中生物氧耗的潛力也受到了極大的影響。因此，盡管酸酐（86 mM）和硫酸鹽（100 mM）等關(guān)鍵底物豐富存在，但在酸化的糞液中硫酸鹽還原完全不存在。相比之下，未經(jīng)處理的對照糞液中硫酸鹽還原速率約為每天0.150 mM。與對照糞液相比，糞便池中的甲烷生成減少了50%以上，而儲罐中減少了98-99%。此外，與本研究中酸化儲存的糞液相比，通常報(bào)道的未經(jīng)酸化儲存的糞液中甲烷產(chǎn)生速率普遍更高，范圍為每天0.6-6.3或>8.3 mM，而本研究中為每天0.09 mM（Martinez等人，2003）。孵育溫度選擇為15°C，以代表研究地點(diǎn)的平均原位溫度。盡管這遠(yuǎn)低于甲烷生成的最佳溫度，但在未經(jīng)處理的糞液中觀察到了顯著的速率，因此溫度不能解釋酸化糞液中的低活性。VFA分析顯示酸化和未經(jīng)處理的糞液中乙酸濃度較高，表明在所有情況下，甲烷生成都有充足的底物。盡管酸化對更大分子水解速率的影響沒有包含在本研究中，但這是未來研究中的一個有趣問題。從糞池糞液和儲罐糞液中甲烷生成差異的原因尚不清楚。一種解釋可能是對糞池不斷供應(yīng)一些具有一定甲烷生成活性的糞液（Jensen＆Jorgensen，1994）。在酸化后保留一些活性（但不是生長）的能力可能解釋了糞池和儲罐之間觀察到的活性差異。

在進(jìn)行本研究的農(nóng)場上，向儲罐添加了切碎的稻草以促進(jìn)減少氣味的殼層形成。稻草殼層在幾個月內(nèi)保持漂浮狀態(tài)，對儲罐的視覺檢查顯示殼層中含有一些氣體。即使在來自儲罐的酸化糞液中甲烷生成大幅減少的情況下，每天形成了約2升的甲烷氣體（0.09 mM），在這種情況下足以保持殼層漂浮數(shù)月。由于表面殼層的形成和維持依賴于被殼層下方困住的氣泡，這些氣泡提供了殼層的浮力，因此殼層的存在可能需要一些甲烷生成活動。所需的最低氣體生成量必須取決于糞液和殼層的類型，因此酸化糞液對殼層形成和支持的一般影響尚不清楚。酸化的pH本身不能解釋酸化糞液中微生物活性的大幅降低，因?yàn)榱蛩猁}還原和甲烷生成在pH值為5.5或更低的情況下已經(jīng)被描述。Kusel＆Dorsch（2000）報(bào)告了pH 5.2時(shí)的乙酸為底物的硫酸鹽還原。因此，可以合理地預(yù)期在糖化液池和儲罐中將會出現(xiàn)硫酸鹽還原活性。然而，事實(shí)并非如此，同樣的情況也適用于甲烷生成，其在pH 5.5或更低的情況下可能是活躍的（Taconi等，2007）。至于化學(xué)耗氧，與酸化糞液（0.4-0.6 mM）相比，未經(jīng)酸化的對照糞液的硫化物濃度更高（2-4 mM），在未經(jīng)酸化的對照糞液中的降解常數(shù)（0.62 min^-1）與酸化糞液（0.17 min^-1）相比較高，這表明還原硫化物在很大程度上負(fù)責(zé)化學(xué)耗氧。

人們早已認(rèn)識到有機(jī)酸可以滲透活體細(xì)胞膜。短鏈脂肪酸的質(zhì)子化物種，而不是它們的共軛陰離子，可以穿過細(xì)胞膜，且在較高濃度下將作為質(zhì)子導(dǎo)體和解耦劑起作用（Kell等人，1981）。由于短鏈VFA導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)與其酸性環(huán)境之間的必要梯度被短路，從而導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)的酸化，這將抑制細(xì)胞反應(yīng)和化學(xué)滲透能量保存（Baronofsky等人，1984）。短鏈VFA含量的分析顯示，在經(jīng)過酸化處理的糞液中總濃度為150和153 mM（池和儲罐），而在pH 5.5（池）和pH 5.7（儲罐）時(shí)，150和153 mM的總VFA濃度分別相當(dāng)于約20 mM（池）和25 mM（儲罐）的游離質(zhì)子化VFA（表2），這伴隨著糖化液中微生物活性的強(qiáng)烈抑制，即使在存儲數(shù)月后仍然如此。Baronofsky等人（1984）發(fā)現(xiàn)45 mM游離質(zhì)子化的乙酸完全阻止了Clostridium thermoaceticum培養(yǎng)物中的發(fā)酵活性，由于豬糞液中常見的總VFA濃度在50-300 mM范圍內(nèi)，可以預(yù)期糞液的酸化將導(dǎo)致由于質(zhì)子化VFA濃度高而強(qiáng)烈抑制甚至完全阻止微生物活性。類似的保護(hù)效果也可從腌制蔬菜和青貯草中得知，在這些情況下，發(fā)酵細(xì)菌可以在pH<5和有機(jī)酸濃度為數(shù)百mmol/kg的青貯草中生長到抑制水平（例如McEniry等人，2008）。因此，酸化糞液不僅大大減少了氨排放，而且似乎是一種停止糖化液中進(jìn)一步微生物活動的優(yōu)秀保存方法。該方法的一個缺點(diǎn)是強(qiáng)烈氣味的VFA揮發(fā)，使得酸化糞液的氣味相比未經(jīng)處理的糖化液更加令人不適，這可能與工人、鄰居和養(yǎng)豬場的豬產(chǎn)生問題。

5結(jié)論

在本研究中觀察到，與未經(jīng)處理的糞液相比，酸化糞液中的微生物活性，表現(xiàn)為氧消耗、硫酸鹽還原和甲烷生成大幅減少。由于酸化導(dǎo)致pH從7.5降至5.5，糞液中游離質(zhì)子化的短鏈VFA濃度增加了大約兩個數(shù)量級，達(dá)到20-25 mM。目前的結(jié)果表明，這種已被證明具有抑制作用的濃度生成是微生物活動減少的機(jī)制。這可能導(dǎo)致硫化物和甲烷的排放減少，但在酸化糞液中，脂肪酸的揮發(fā)可能會增加。

致謝

作者們要感謝Mogens Jensen提供對他豬場的訪問權(quán)限。該項(xiàng)目由丹麥?zhǔn)称贰O業(yè)和農(nóng)業(yè)企業(yè)總局資助，屬于2005年至2015年水生環(huán)境行動計(jì)劃。