芦竹青贮特性及其对厌氧消化性能的影响研究
发布时间：2021-01-12 01:15
青贮是一种传统的青绿饲料作物贮存方法,逐渐地被应用于沼气化原料的贮存。以能源作物芦竹为原料,探讨两个不同时间收获（早收、晚收）芦竹在未添加尿素和尿素辅助青贮90 d过程中的化学组分变化及其后续厌氧消化产甲烷性能。结果表明:早收芦竹中水溶性碳水化合物（WSC）质量分数为2.80%（干基）,青贮干物质（DM）损失率为8%,而尿素辅助使青贮DM损失降低了28.0%,木质素降解率提高了101.3%,且后续厌氧消化累积甲烷产量提高了25.6%;晚收芦竹中WSC质量分数为4.94%（干基）,青贮与尿素辅助青贮的DM损失率均保持在1%左右,但尿素辅助使青贮90 d过程中乳酸累积产量增加了237.5%,木质素降解率提高了43.8%,厌氧消化累积甲烷产量提高了17.4%。因此,早收芦竹WSC含量低而不利于青贮,尿素辅助能有效降低芦竹青贮DM损失和提高后续产甲烷性能。
【文章来源】：农业机械学报. 2020,51(S1)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
芦竹青贮过程中p H值、WSC质量分数和DM损失率
对于晚收芦竹而言，青贮发酵产物含乳酸、乙酸、丙酸、丁酸和乙醇，为混合型乳酸发酵型。芦竹青贮30～90 d过程中，未添加尿素组中乳酸、乙酸和丙酸含量(质量比)分别分布在7.9～10.7 g/kg、7.4～19.2 g/kg和22.9～35.2 g/kg的范围内;而尿素辅助组中乳酸、乙酸和丙酸含量分别为23.0～36.0 g/kg、16.7～21.9 g/kg和3.7～10.1 g/kg。尿素添加使90 d芦竹青贮过程中乳酸累积产量增加了237.5%，而丙酸的累积产量减少了87.9%。由于乳酸的p Ka值为3.86，它是青贮有机酸中最有效降低p H值并保持青贮稳定性的产物[21]。晚收芦竹青贮过程中高浓度的乳酸累积与较低青贮DM损失的结果相一致，这也是晚收芦竹青贮稳定性高于早收芦竹的重要原因。青贮过程中丙酸积累的机制可能有2种:一种是通过丙酸细菌产生丙酸，当p H值低于4.8时受到抑制[22];另一种是通过异型发酵乳酸菌，如布氏乳杆菌，以1,2-丙二醇作为中间体将乳酸降解为丙酸[22-23]。本试验中芦竹青贮中丙酸的积累可能主要归因于第2种机制，即乳酸被异型乳酸发酵菌降解生产丙酸。尿素辅助芦竹青贮30 d时的乙醇质量比增加到13.8 g/kg，但贮存60～90 d过程中乙醇含量与不添加尿素芦竹没有显著差异(p>0.05)。未添加尿素的芦竹晚收青贮90 d时的丁酸含量(质量比)为5.0 g/kg，而尿素辅助芦竹青贮组中未检测到丁酸。因此，对于晚收的WSC含量相对较高的芦竹青贮过程，尿素添加对总的发酵产物含量影响差异不大，而尿素辅助能够提高芦竹青贮过程中同型乳酸发酵菌的活性，促进乳酸的累积并抑制乳酸的次级代谢降解途径。
早收和晚收的芦竹青贮90 d过程中半纤维素降解率均高于纤维素和木质素的降解率，其范围分别为9.7%～12.9%和11.1%～13.6%(图3);这与文献报道的玉米秸秆和果园草青贮过程中半纤维素比纤维素更容易降解的结果相一致[26-27]。尿素辅助进一步提高了早收芦竹青贮过程中半纤维素的降解率，贮存30、60、90 d后半纤维素的降解率分别显著(p<0.05)增加了17.6%、19.5%和40.6%。然而，尿素辅助却使晚收芦竹青贮过程中半纤维素的降解率略微降低。两次收获的芦竹在尿素辅助青贮过程中表现出的半纤维素降解的差异主要与青贮稳定性相关。早收芦竹青贮过程相对不稳定，尿素辅助一定程度上降低了芦竹青贮DM损失，但青贮过程中可能存在的酵母、霉菌、梭菌等腐败微生物的活动增加了半纤维素的降解。早收和晚收芦竹青贮30 d时木质素的降解率分别为5.3%和3.2%，当贮存时间达到60 d时，其木质素降解率都增加到6.5%左右，并在随后的60～90 d的过程中变化不大。尿素辅助使早收芦竹中木质素降解率显著(p<0.05)提高，贮存30、60、90 d后木质素的降解率分别增加了34.6%、70.9%和101.3%。而尿素辅助使晚收芦竹贮存30 d的木质素降解显著增加141.6%，当贮存时间由30 d延长到90 d，其木质素降解率无显著变化(p>0.05)，相对于未添加尿素组，木质素降解率提高了43.8%，主要是由于木质素的大幅度降解主要发生在青贮不稳定阶段，而晚收芦竹青贮30 d内基本达到稳定，抑制了微生物的活动。然而，贮存过程中木质素的降解也依赖于原料不同而呈现出较大的差异。例如，在玉米或蚕豆青贮过程中未见木质素的降解，大麻青贮4个月后观察到3%～4%的木质素降解，向大麻中添加尿素的青贮过程中也观察到木质素的降解增加[16]。以上结果表明，尿素辅助处理有助于提高芦竹青贮过程中木质素的降解率，尤其对于青贮效果不佳的过程(例如早收芦竹)。另外，木质素的降解一定程度上破坏了细胞壁结构，从而有利于提高生物质后续厌氧消化过程中半纤维素和半纤维素的可生化性。
本文编号：2971842
【文章来源】：农业机械学报. 2020,51(S1)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
芦竹青贮过程中p H值、WSC质量分数和DM损失率
对于晚收芦竹而言，青贮发酵产物含乳酸、乙酸、丙酸、丁酸和乙醇，为混合型乳酸发酵型。芦竹青贮30～90 d过程中，未添加尿素组中乳酸、乙酸和丙酸含量(质量比)分别分布在7.9～10.7 g/kg、7.4～19.2 g/kg和22.9～35.2 g/kg的范围内;而尿素辅助组中乳酸、乙酸和丙酸含量分别为23.0～36.0 g/kg、16.7～21.9 g/kg和3.7～10.1 g/kg。尿素添加使90 d芦竹青贮过程中乳酸累积产量增加了237.5%，而丙酸的累积产量减少了87.9%。由于乳酸的p Ka值为3.86，它是青贮有机酸中最有效降低p H值并保持青贮稳定性的产物[21]。晚收芦竹青贮过程中高浓度的乳酸累积与较低青贮DM损失的结果相一致，这也是晚收芦竹青贮稳定性高于早收芦竹的重要原因。青贮过程中丙酸积累的机制可能有2种:一种是通过丙酸细菌产生丙酸，当p H值低于4.8时受到抑制[22];另一种是通过异型发酵乳酸菌，如布氏乳杆菌，以1,2-丙二醇作为中间体将乳酸降解为丙酸[22-23]。本试验中芦竹青贮中丙酸的积累可能主要归因于第2种机制，即乳酸被异型乳酸发酵菌降解生产丙酸。尿素辅助芦竹青贮30 d时的乙醇质量比增加到13.8 g/kg，但贮存60～90 d过程中乙醇含量与不添加尿素芦竹没有显著差异(p>0.05)。未添加尿素的芦竹晚收青贮90 d时的丁酸含量(质量比)为5.0 g/kg，而尿素辅助芦竹青贮组中未检测到丁酸。因此，对于晚收的WSC含量相对较高的芦竹青贮过程，尿素添加对总的发酵产物含量影响差异不大，而尿素辅助能够提高芦竹青贮过程中同型乳酸发酵菌的活性，促进乳酸的累积并抑制乳酸的次级代谢降解途径。
早收和晚收的芦竹青贮90 d过程中半纤维素降解率均高于纤维素和木质素的降解率，其范围分别为9.7%～12.9%和11.1%～13.6%(图3);这与文献报道的玉米秸秆和果园草青贮过程中半纤维素比纤维素更容易降解的结果相一致[26-27]。尿素辅助进一步提高了早收芦竹青贮过程中半纤维素的降解率，贮存30、60、90 d后半纤维素的降解率分别显著(p<0.05)增加了17.6%、19.5%和40.6%。然而，尿素辅助却使晚收芦竹青贮过程中半纤维素的降解率略微降低。两次收获的芦竹在尿素辅助青贮过程中表现出的半纤维素降解的差异主要与青贮稳定性相关。早收芦竹青贮过程相对不稳定，尿素辅助一定程度上降低了芦竹青贮DM损失，但青贮过程中可能存在的酵母、霉菌、梭菌等腐败微生物的活动增加了半纤维素的降解。早收和晚收芦竹青贮30 d时木质素的降解率分别为5.3%和3.2%，当贮存时间达到60 d时，其木质素降解率都增加到6.5%左右，并在随后的60～90 d的过程中变化不大。尿素辅助使早收芦竹中木质素降解率显著(p<0.05)提高，贮存30、60、90 d后木质素的降解率分别增加了34.6%、70.9%和101.3%。而尿素辅助使晚收芦竹贮存30 d的木质素降解显著增加141.6%，当贮存时间由30 d延长到90 d，其木质素降解率无显著变化(p>0.05)，相对于未添加尿素组，木质素降解率提高了43.8%，主要是由于木质素的大幅度降解主要发生在青贮不稳定阶段，而晚收芦竹青贮30 d内基本达到稳定，抑制了微生物的活动。然而，贮存过程中木质素的降解也依赖于原料不同而呈现出较大的差异。例如，在玉米或蚕豆青贮过程中未见木质素的降解，大麻青贮4个月后观察到3%～4%的木质素降解，向大麻中添加尿素的青贮过程中也观察到木质素的降解增加[16]。以上结果表明，尿素辅助处理有助于提高芦竹青贮过程中木质素的降解率，尤其对于青贮效果不佳的过程(例如早收芦竹)。另外，木质素的降解一定程度上破坏了细胞壁结构，从而有利于提高生物质后续厌氧消化过程中半纤维素和半纤维素的可生化性。
本文编号：2971842
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