3.結果與討論

3.1.通過原位氨氣剝離增強產甲烷性能

兩個消化器連續運行194天。如圖2所示，與對照消化器相比，剝離消化器中的總銨態氮濃度降低了20%。隨著這種降低，剝離消化器中的沼氣和甲烷產率分別比對照消化器高29%和34%。據報道，在總銨態氮2.1 g/L和投料總固體5%時，雞糞的甲烷產率更高為310 mL/g-VS。因此，仍需要進一步優化以去除更多氨氮并增加甲烷生產。

兩個消化器的過程性能如表2所示。對照消化器和剝離消化器中的總銨態氮濃度分別為6.8和5.8 g/L。通常，氨/銨抑制反映在揮發性脂肪酸積累和甲烷產率降低，發生在總銨態氮3-5 g/L。在本研究中，兩個消化器均觀察到揮發性脂肪酸積累，然而，剝離消化器中的揮發性脂肪酸濃度僅為對照消化器的70%。

由于對照消化器中揮發性脂肪酸濃度較高（21.6 g/L），碳酸氫鹽堿度低于剝離消化器，導致對照消化器的pH低于剝離消化器。對照消化器中的游離氨濃度（0.5 g/L）與剝離消化器（0.6 g/L）非常接近。據報道，雞糞中溫消化在總銨態氮濃度4.5 g/L或游離氨濃度0.7 g/L時受到抑制。因此，兩個消化器中的游離氨濃度均低于抑制閾值。考慮到所得結果，揮發性脂肪酸似乎可用，但產甲烷菌被抑制將該底物轉化為沼氣。許多因素可能誘導揮發性脂肪酸積累。銨/氨抑制產甲烷菌時最常見的特征之一是揮發性脂肪酸積累。在本研究中，兩個消化器在相同的hydraulic retention time和有機負荷率下運行，以及氨濃度幾乎相同且遠低于抑制閾值，剝離消化器中揮發性脂肪酸濃度降低30%最可能是由于剝離方法導致總銨態氮含量降低。因此，結論是總銨態氮從6.8降至5.8導致剝離消化器中揮發性脂肪酸濃度緩解，從而產生更多甲烷產率。因此，推測本研究中的抑制效應最可能是由于對照消化器中較高的總銨態氮濃度。

表2 194天實驗的過程性能。

3.2.增強乙酸、丙酸和氫代謝

剝離消化器中增強的產甲烷性能在24小時測試中得到證明（圖3）。剝離消化器具有更高的甲烷含量（圖3a），這可能對應于第3.1節中提到的更高碳酸氫鹽堿度。此外，剝離消化器的體積甲烷生產為1.3 L/(L·d)，比對照消化器高28%（圖3b）。另外，在剝離消化器中也觀察到更低水平的丙酸和溶解氫（圖3c和d）。氨抑制的存在經常與乙酸和丙酸的積累相關，乙酸降解細菌的氨抑制程度隨總銨態氮濃度增加而增加。盡管總銨態氮濃度對丙酸降解細菌的直接影響尚不清楚，但乙酸和氫的積累可能降低丙酸的代謝。具有正標準吉布斯自由能（ΔG°=+76.1 kJ/mol），丙酸轉化為乙酸和氫在熱力學上不利。在氨剝離消化器中，丙酸和溶解氫濃度的降低可能有助于產甲烷性能的增強。

3.3.微生物群落和功能群

所用接種物的微生物群落結構完整描述可見別處。為了說明原位氨氣剝離對功能微生物的變化，使用Illumina高通量測序研究了兩個消化器中的細菌群落結構。在門水平上變化很小（圖4），厚壁菌門（37.1%和41.2%）、擬桿菌門（30.2%和22.9%）、Cloacimonetes（15.5%和14.8%）和變形菌門（9.8%和9.8%）是對照和剝離消化器中的優勢門。在屬水平上，兩個消化器之間沒有顯著差異（表S3）。Candidatus Cloacamonas sp.是兩個消化器中的優勢屬。Candidatus Cloacamonas acidaminovorans先前被報道為中溫（35°C）消化器中的優勢細菌，并在丙酸氧化和氫生產中起重要作用。對照和剝離消化器中的Candidatus Cloacamonas sp.分別為15.5%和14.8%。

第二豐富的細菌屬屬于Bacteroides sp.（B.cellulosilyticus和B.gallinarum），它們的相對豐度在剝離過程中顯示明顯變化（與對照相比增加27%）。Bacteroides屬成員的代謝多樣性/靈活性及其在可變環境因素下的適應能力先前已被報道。同樣，屬Fermentimonas（特別指F.caenicola）的相對豐度在剝離反應器中增強了2.3倍。F.caenicola最近被建議參與過程的水解和酸化階段。另外，物種Clostridium caenicola和C.populati的相對豐度在剝離消化器中也分別增強了1.8和2.2倍。這些物種能夠利用不同類型的碳水化合物、纖維素和其他糖類生產氫、CO2和揮發性脂肪酸。因此，可以結論，剝離過程可以增強厭氧消化的不同子階段，導致更多產甲烷底物可用于甲烷生產。