Multiple syntrophic interactions drive biohythane production from waste sludge in microbial electrolysis cells

多種協同相互作用驅動微生物電解池中廢棄污泥生產生物氫烷

來源：Biotechnology for Biofuels, Volume 9, 2016, Article number 162

《生物燃料生物技術》第9卷，2016年，文章編號162

 

摘要

摘要闡述了生物氫烷是一種新型高價值運輸燃料，由生物甲烷和生物氫混合而成。本研究首次報道在生物陰極微生物電解池中直接從廢棄污泥生產生物氫烷。堿預處理污泥喂養的MEC顯示出最高生物氫烷產率，達0.148 L·L?1反應器·天?1，比原始污泥MEC和厭氧消化提高40%和80%。通過Illumina測序和qPCR分析微生物群落，揭示了發酵細菌、產電細菌和產甲烷古菌之間的多種協同相互作用，驅動復雜有機物轉化為生物氫烷。結果表明MEC在碳水化合物缺乏底物上比傳統厭氧消化更具競爭力。

 

研究目的

研究目的是探究微生物電解池在亞氧條件下從廢棄污泥生產生物氫烷的可行性，分析微生物群落結構和協同相互作用機制，評估堿預處理和MEC對污泥水解和生物氫烷生產的增強作用，為廢物處理和能源回收提供新策略。

 

研究思路

研究思路是通過構建單室生物陰極MEC反應器，比較原始污泥和堿預處理污泥作為底物，在施加0.6V電壓下運行。監測生物氫烷產率、氣體組成、代謝物變化和電流密度。使用Illumina MiSeq測序和qPCR分析陽極和陰極生物膜微生物群落結構，并通過主成分分析揭示不同條件下的群落差異。同時，利用氫氣微傳感器進行原位氫氣濃度測量，驗證氫氣生產和消耗動態。

 

測量的數據及研究意義

1 生物氫烷產率和氣體組成數據：來自圖1，顯示AS-MEC產率最高，氫氣和甲烷比例分別為11.3%和67.8%。研究意義是證實堿預處理和MEC協同增強污泥水解和生物氫烷生產，為優化燃料混合比提供依據，表明MEC技術在實際廢物處理中的高效性。

 

2 氫氣濃度原位測量數據：來自圖2，使用氫氣微傳感器顯示陰極附近氫氣濃度在36小時達峰值9 mmol/L，隨后下降。研究意義是直接驗證陰極氫氣生產和氫營養型甲烷菌的消耗，揭示MEC中氫氣動態平衡，為理解氣體轉化路徑提供實時證據。

 

3 揮發性脂肪酸濃度數據：來自圖3，顯示AS-MEC中乙酸濃度在2天內從260 mg/L升至1550 mg/L。研究意義是表明堿預處理和MEC促進污泥酸化和底物水解，為產電菌提供更多基質，增強系統代謝活性。

 

4 微生物群落結構數據：來自圖4、5、6，通過PCA和分類柱狀圖顯示AS-MEC陽極以Geobacter為主，陰極以Clostridium為主，古菌以Methanobacterium為主。研究意義是揭示功能菌群富集和協同網絡，如產電菌與氫營養型甲烷菌合作，推動多級底物利用，為設計高效合成群落提供基礎。

 

 

 

5 古菌定量數據：來自圖6，qPCR顯示AS-MEC中古菌拷貝數高于對照組。研究意義是證實堿預處理和MEC促進氫營養型甲烷菌富集，增強甲烷生成，解釋生物氫烷高產原因。

 

結論

1 微生物電解池可直接從廢棄污泥生產生物氫烷，堿預處理顯著提高產率，最高達0.148 L·L?1·天?1，比厭氧消化高80%。

2 微生物群落分析揭示多種協同相互作用，包括發酵細菌水解底物、產電菌產生電流、氫營養型甲烷菌消耗氫氣產甲烷，形成高效底物級聯利用。

3 研究證明MEC在處理碳水化合物缺乏底物時比傳統厭氧消化更具優勢，為廢物能源化提供新途徑。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氫氣微傳感器測量的數據具有重要研究意義。這些數據來自圖2，通過原位監測MEC反應器內氫氣濃度動態變化。測量原理是微傳感器檢測氫氣分壓，提供高時空分辨率數據。意義在于：首先，數據顯示陰極區域氫氣濃度在36小時達到峰值9 mmol/L，隨后下降，直接證實了陰極電解氫氣生產以及氫營養型甲烷菌對氫氣的消耗，揭示了MEC中氫氣生成和利用的實時平衡。其次，氫氣濃度梯度從陰極到陽極的分布驗證了氫氣擴散路徑，表明局部微環境對氣體轉化的影響。此外，結合微生物群落數據，Unisense電極測量結果關聯了氫營養型甲烷菌富集與氫氣消耗動態，為理解合成相互作用提供了定量證據。總之，該數據強化了MEC中多途徑氣體生產的機制，對優化反應器設計和控制氫氣甲烷比例有指導價值。