生物質(zhì)微生物電解池強(qiáng)化產(chǎn)氫及陽(yáng)極群落結(jié)構(gòu)環(huán)境響應(yīng).pdf

1、發(fā)酵法生物制氫是真正意義上可持續(xù)和碳中性的制氫方式。然而光發(fā)酵產(chǎn)氫很難獲取連續(xù)的自然光源,暗發(fā)酵產(chǎn)氫的氫回收率有待進(jìn)一步提高,且發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌常常受到底物代謝障礙和生長(zhǎng)條件障礙的限制。微生物電解池(microbial electrolysis cell,MEC)是最前沿的生物制氫技術(shù),其結(jié)合了生物和電化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),理論上可突破許多發(fā)酵法產(chǎn)氫的熱力學(xué)壁壘。針對(duì)發(fā)酵法制氫存在的問(wèn)題,本文考察了利用MEC轉(zhuǎn)化發(fā)酵產(chǎn)物和不可發(fā)酵產(chǎn)氫底物為氫氣的

2、可行性?？疾炝薓EC是否具有比發(fā)酵法更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。同時(shí),采用最新的電化學(xué)和分子生物學(xué)手段,研究了MEC陽(yáng)極生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境條件(溫度、底物)變化的響應(yīng)及種群互作機(jī)制,用于解析復(fù)雜底物的代謝過(guò)程。探明了反應(yīng)器中電子、氫氣和能量的具體歸宿,并據(jù)此提出了提高M(jìn)EC氫氣回收率的調(diào)控策略。
　　開(kāi)展了利用糖蜜廢水的乙醇型發(fā)酵連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)耦合單室MEC梯級(jí)產(chǎn)氫。經(jīng)MEC強(qiáng)化產(chǎn)氫后,產(chǎn)氫速率和氫氣回收率從單獨(dú)發(fā)酵

3、時(shí)的0.7m3-H2/m3/d和14％提高至耦合系統(tǒng)的2.11m3-H2/m3/d和81%。全系統(tǒng)獲得的氫能與輸入電能的比值達(dá)287%,而能耗僅為1.12kWh/m3-H2,小于電解水產(chǎn)氫5.6kWh/m3-H2的能耗。乙醇型發(fā)酵模式菌株利用葡萄糖發(fā)酵獲得的氫氣回收率為18%,與MEC耦合后回收率升至47%。以454高通量測(cè)序和Fast UniFrac聚類為代表的分子生態(tài)學(xué)分析顯示,利用純菌發(fā)酵液和利用模擬發(fā)酵液(主要為乙醇和乙酸)、乙

4、醇、乙酸、乳酸以及利用丙酸、丁酸、戊酸的三類陽(yáng)微生物群落在進(jìn)化關(guān)系和結(jié)構(gòu)上有較大差異,每一類下的不同群落又有明顯差別。實(shí)際產(chǎn)氫效能反映了微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。微生物燃料電池(MFC)轉(zhuǎn)為MEC狀態(tài)運(yùn)行時(shí)群落結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的改變。Geobacter為主要的產(chǎn)電菌且產(chǎn)電菌的多樣性隨著有機(jī)物分子量的增加而增加。
　　通過(guò)MEC首次從蛋白質(zhì)中獲取氫氣,突破了發(fā)酵法不能利用蛋白產(chǎn)氫的瓶頸。單室MEC利用牛血清蛋白(BSA)獲得的產(chǎn)氫速率和

5、氫氣產(chǎn)率分別為0.42±0.07m3/m3/d和21.0±5.0mmol-H2/g-COD,利用蛋白胨時(shí)產(chǎn)氫效能下降。以蛋白為底物富集陽(yáng)極可獲得最佳的產(chǎn)氫效果。單室MEC中常發(fā)生由于氫氣或硫化物在陽(yáng)極被氧化造成的電子內(nèi)循環(huán),采用雙室結(jié)構(gòu)可減少此現(xiàn)象的發(fā)生。MEC對(duì)蛋白的去除率高達(dá)87～97%,氮平衡表明在最優(yōu)條件下絕大部分有機(jī)氮被轉(zhuǎn)化為氨氮。微生物群落分析顯示,以蛋白或乙酸鈉為底物的陽(yáng)極群落結(jié)構(gòu)有較大差異,前者的生物多樣性較低。

6、　　考察了MEC利用剩余活性污泥產(chǎn)氫及強(qiáng)化產(chǎn)氫機(jī)制。雙室MEC利用剩余污泥和堿預(yù)處理剩余污泥獲得的氫氣產(chǎn)率分別為3.89±0.39mg-H2/g-DS和6.78±0.94mg-H2/g-DS,數(shù)倍于發(fā)酵剩余污泥的氫氣產(chǎn)率。單室MEC利用堿預(yù)處理污泥時(shí),由于降低了內(nèi)阻獲得了13倍于雙室MEC的產(chǎn)氫速率和相當(dāng)?shù)臍錃猱a(chǎn)率,但伴有甲烷產(chǎn)生。熱力學(xué)產(chǎn)率衡算表明,除碳水化合物及其發(fā)酵產(chǎn)物外,蛋白和其它有機(jī)物同樣被MEC用于產(chǎn)氫,闡明了有機(jī)物梯級(jí)利用

7、是MEC獲得高氫氣產(chǎn)率的主要原因。MEC還具有氫損失少、對(duì)溫度變化和重金屬離子耐受性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。三維熒光光譜結(jié)合平行因子法分析表明,MEC產(chǎn)氫反應(yīng)對(duì)污泥胞內(nèi)物質(zhì)和胞外聚合物產(chǎn)生不同程度的作用。高通量測(cè)序顯示,陽(yáng)極微生物群落的多樣性高于污泥且二者在結(jié)構(gòu)上有較大差異,陽(yáng)極群落中獨(dú)有的發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)電菌之間的互養(yǎng)作用是梯級(jí)利用有機(jī)物的生物學(xué)證據(jù)。實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(QPCR)分析表明,MEC利用富含乙酸的堿預(yù)處理污泥后,嗜乙酸甲烷菌取代嗜

8、氫甲烷菌成為古菌群落中的優(yōu)勢(shì)菌群。
　　首次成功啟動(dòng)并運(yùn)行低溫MEC,突破了發(fā)酵制氫無(wú)法在低溫下正常工作的瓶頸。以MFC出水富集液為接種物,采取頻繁接種的啟動(dòng)策略,在4°C和9°C下成功啟動(dòng)單室MEC,以乙酸鈉為底物獲得的產(chǎn)氫速率為0.23±0.03～0.53±0.04m3-H2/m3/d,氫氣產(chǎn)率為2.66±0.22～2.94±0.02mol-H2/mol-acetate?？寺∥膸?kù)分析表明,耐冷產(chǎn)電菌Geobacter psyc

9、hrophilus為MEC中的功能微生物。4°C下同樣成功啟動(dòng)利用葡萄糖的單室MEC,獲得的產(chǎn)氫速率為0.25±0.03～0.37±0.04m3-H2/m3/d,氫氣產(chǎn)率為6.0±0.3～6.1±0.5mol-H2/mol-glucose。高通量測(cè)序結(jié)合電化學(xué)分析表明,發(fā)酵菌與產(chǎn)電菌之間以發(fā)酵產(chǎn)物為電子介體的互養(yǎng)關(guān)系是低溫MEC降解葡萄糖的主要途徑,而非直接的葡萄糖氧化;中溫條件下,發(fā)酵菌與甲烷菌之間以及發(fā)酵菌、同型產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)電菌三者