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生物质微生物电解池强化产氢及阳极群落结构环境响应

路璐  
【摘要】:发酵法生物制氢是真正意义上可持续和碳中性的制氢方式。然而光发酵产氢很难获取连续的自然光源,暗发酵产氢的氢回收率有待进一步提高,且发酵产氢细菌常常受到底物代谢障碍和生长条件障碍的限制。微生物电解池(microbialelectrolysis cell,MEC)是最前沿的生物制氢技术,其结合了生物和电化学反应的优点,理论上可突破许多发酵法产氢的热力学壁垒。针对发酵法制氢存在的问题,本文考察了利用MEC转化发酵产物和不可发酵产氢底物为氢气的可行性。考察了MEC是否具有比发酵法更强的环境适应性。同时,采用最新的电化学和分子生物学手段,研究了MEC阳极生物膜微生物群落结构对环境条件(温度、底物)变化的响应及种群互作机制,用于解析复杂底物的代谢过程。探明了反应器中电子、氢气和能量的具体归宿,并据此提出了提高MEC氢气回收率的调控策略。 开展了利用糖蜜废水的乙醇型发酵连续搅拌釜式反应器(CSTR)耦合单室MEC梯级产氢。经MEC强化产氢后,产氢速率和氢气回收率从单独发酵时的0.7m~3-H_2/m~3/d和14%提高至耦合系统的2.11m~3-H_2/m~3/d和81%。全系统获得的氢能与输入电能的比值达287%,而能耗仅为1.12kWh/m~3-H_2,小于电解水产氢5.6kWh/m~3-H_2的能耗。乙醇型发酵模式菌株利用葡萄糖发酵获得的氢气回收率为18%,与MEC耦合后回收率升至47%。以454高通量测序和Fast UniFrac聚类为代表的分子生态学分析显示,利用纯菌发酵液和利用模拟发酵液(主要为乙醇和乙酸)、乙醇、乙酸、乳酸以及利用丙酸、丁酸、戊酸的三类阳微生物群落在进化关系和结构上有较大差异,每一类下的不同群落又有明显差别。实际产氢效能反映了微生物群落结构的差异。微生物燃料电池(MFC)转为MEC状态运行时群落结构发生不同程度的改变。Geobacter为主要的产电菌且产电菌的多样性随着有机物分子量的增加而增加。 通过MEC首次从蛋白质中获取氢气,突破了发酵法不能利用蛋白产氢的瓶颈。单室MEC利用牛血清蛋白(BSA)获得的产氢速率和氢气产率分别为0.42±0.07m~3/m~3/d和21.0±5.0mmol-H_2/g-COD,利用蛋白胨时产氢效能下降。以蛋白为底物富集阳极可获得最佳的产氢效果。单室MEC中常发生由于氢气或硫化物在阳极被氧化造成的电子内循环,采用双室结构可减少此现象的发生。MEC对蛋白的去除率高达87~97%,氮平衡表明在最优条件下绝大部分有机氮被转化为氨氮。微生物群落分析显示,以蛋白或乙酸钠为底物的阳极群落结构有较大差异,前者的生物多样性较低。 考察了MEC利用剩余活性污泥产氢及强化产氢机制。双室MEC利用剩余污泥和碱预处理剩余污泥获得的氢气产率分别为3.89±0.39mg-H_2/g-DS和6.78±0.94mg-H_2/g-DS,数倍于发酵剩余污泥的氢气产率。单室MEC利用碱预处理污泥时,由于降低了内阻获得了13倍于双室MEC的产氢速率和相当的氢气产率,但伴有甲烷产生。热力学产率衡算表明,除碳水化合物及其发酵产物外,蛋白和其它有机物同样被MEC用于产氢,阐明了有机物梯级利用是MEC获得高氢气产率的主要原因。MEC还具有氢损失少、对温度变化和重金属离子耐受性强的优点。三维荧光光谱结合平行因子法分析表明,MEC产氢反应对污泥胞内物质和胞外聚合物产生不同程度的作用。高通量测序显示,阳极微生物群落的多样性高于污泥且二者在结构上有较大差异,阳极群落中独有的发酵产酸细菌和产电菌之间的互养作用是梯级利用有机物的生物学证据。实时定量聚合酶链式反应(QPCR)分析表明,MEC利用富含乙酸的碱预处理污泥后,嗜乙酸甲烷菌取代嗜氢甲烷菌成为古菌群落中的优势菌群。 首次成功启动并运行低温MEC,突破了发酵制氢无法在低温下正常工作的瓶颈。以MFC出水富集液为接种物,采取频繁接种的启动策略,在4°C和9°C下成功启动单室MEC,以乙酸钠为底物获得的产氢速率为0.23±0.03~0.53±0.04m~3-H_2/m~3/d,氢气产率为2.66±0.22~2.94±0.02mol-H_2/mol-acetate。克隆文库分析表明,耐冷产电菌Geobacter psychrophilus为MEC中的功能微生物。4°C下同样成功启动利用葡萄糖的单室MEC,获得的产氢速率为0.25±0.03~0.37±0.04m~3-H_2/m~3/d,氢气产率为6.0±0.3~6.1±0.5mol-H_2/mol-glucose。高通量测序结合电化学分析表明,发酵菌与产电菌之间以发酵产物为电子介体的互养关系是低温MEC降解葡萄糖的主要途径,而非直接的葡萄糖氧化;中温条件下,发酵菌与甲烷菌之间以及发酵菌、同型产乙酸菌和产电菌三者之间存在特定的互养关系,但在低温条件下其不存在。QPCR分析显示,将中温下有甲烷产生的MEC转入低温运行,不但可以完全抑制产甲烷而且使得甲烷菌的数量减少68~91%。然而,当温度升高后甲烷产量和甲烷菌数量又恢复到之前水平。将尚未形成完整甲烷菌群落的MEC在15°C下运行,可长期稳定的将甲烷产量和甲烷菌数量限制在一个极小的水平,从而获得和中温下未明显产甲烷的反应器相当的产氢速率和氢气产率。温度交替变化对阳极细菌群落结构影响较小。


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