厭氧甲烷化中互養(yǎng)微生物種間直接電子傳遞的構(gòu)建與強(qiáng)化.pdf

1、厭氧甲烷化是實現(xiàn)污染物能源化最現(xiàn)實、最有效的方法之一。氫氣作為有機(jī)物厭氧氧化的產(chǎn)物，必須依靠耗氫微生物的持續(xù)消耗，才能維持厭氧氧化的順利進(jìn)行。因此，在過去的半個世紀(jì)，氫氣作為厭氧呼吸的電子載體，即種間氫氣傳遞(IHT)，被認(rèn)為是厭氧消化的內(nèi)在機(jī)理。然而，基于IHT的生物電子鏈接脆弱，相關(guān)微生物極易受環(huán)境條件（如pH、有機(jī)負(fù)荷、毒性抑制劑等）的影響，造成厭氧體系內(nèi)氫氣分壓升高，破壞產(chǎn)甲烷代謝的平衡，最終導(dǎo)致厭氧甲烷化的停滯。近年來，由電活

2、性微生物（如Geobacter等）驅(qū)動的產(chǎn)甲烷微生物電解池(MEC)作為一種新型能源策略受到廣泛關(guān)注。這種在厭氧消化器中直接置入電極的單室產(chǎn)甲烷MEC拓寬了厭氧甲烷化的途徑。更重要的是，基于Geobacter和產(chǎn)甲烷菌構(gòu)建的MEC有望形成另一種全新的厭氧甲烷化模式——直接種間電子傳遞(DIET)。然而，DIET在常規(guī)厭氧體系內(nèi)還存在諸多未知的問題，如DIET在厭氧系統(tǒng)的構(gòu)建與強(qiáng)化、運行特性以及底物可利用性等?；谏鲜隹紤]，本研究在常規(guī)厭

3、氧消化器內(nèi)，通過引入外加電場、填充導(dǎo)體材料以及投加乙醇等方式，構(gòu)建并強(qiáng)化產(chǎn)甲烷DIET，維持厭氧體系內(nèi)酸性平衡和產(chǎn)甲烷代謝的穩(wěn)定。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)將一對石墨電極內(nèi)置于上流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器，構(gòu)成單室產(chǎn)甲烷的MEC反應(yīng)器。在啟動階段，這種MEC反應(yīng)器能夠大幅度縮短厭氧啟動時間。在酸性抑制階段，對照反應(yīng)器（無內(nèi)置電極）的產(chǎn)甲烷代謝幾乎停滯，而MEC反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷代謝仍可以穩(wěn)定運行。熒光原位雜交(FISH)結(jié)果

4、表明，MEC的陰極周圍富集了大量耗氫產(chǎn)甲烷菌，其豐度高于懸浮污泥和對照反應(yīng)器20-30個百分點，這說明外加電場能夠在陰極富集耗氫產(chǎn)甲烷菌，形成生物電化學(xué)陰極產(chǎn)甲烷，提高甲烷產(chǎn)量。采用這種單室產(chǎn)甲烷的MEC處理剩余污泥，能夠大幅度地提高剩余污泥中有機(jī)物（如糖類物質(zhì)、蛋白質(zhì)和有機(jī)酸等）的分解速率。高通量測序結(jié)果顯示，MEC陽極周圍富集大量Geobacter和厭氧發(fā)酵微生物，其豐度明顯高于懸浮污泥和初始接種污泥。陽極周圍富集的Geobacte

5、r和厭氧發(fā)酵微生物形成的互養(yǎng)鏈接是該MEC反應(yīng)器中復(fù)雜有機(jī)物分解速率得到提高的重要原因。然而，基于電子守恒，生物陰極產(chǎn)甲烷僅貢獻(xiàn)該MEC全部甲烷產(chǎn)量的13.5％，傳統(tǒng)的耗氫甲烷化和耗乙酸甲烷化貢獻(xiàn)該MEC全部甲烷產(chǎn)量的35％，仍有超過50％的甲烷來源未知。污泥電導(dǎo)率結(jié)果表明，MEC內(nèi)污泥電導(dǎo)率提高30％。高通量測序和FISH結(jié)果顯示，Methanosaeta是MEC陽極周圍占主導(dǎo)的產(chǎn)甲烷菌。Geobacter與Methanosaeta形

6、成的產(chǎn)甲烷DIET可能是該反應(yīng)器甲烷產(chǎn)量的50％的主要來源，這可能是由于電極材料本身作為導(dǎo)體材料介入這兩種微生物的互養(yǎng)代謝。
　　(2)進(jìn)一步驗證導(dǎo)體材料對于厭氧消化中產(chǎn)甲烷DIET的促進(jìn)作用，導(dǎo)體碳材料（石墨、生物碳以及碳布）被填充至上流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器。隨著進(jìn)水負(fù)荷提高，不同材質(zhì)的導(dǎo)體碳材料均可提高甲烷產(chǎn)量30-45％。當(dāng)導(dǎo)體碳材料從厭氧消化器內(nèi)被移除后，其表面附著的污泥被返回至原反應(yīng)器，然而，該反應(yīng)器的性能仍立

7、即下降至與對照反應(yīng)器（無導(dǎo)體碳材料填充）相一致，這說明反應(yīng)器性能的提高與導(dǎo)體碳材料表面截留的生物量無關(guān)，而與導(dǎo)體碳材料本身較高的電導(dǎo)率有關(guān)。此外，導(dǎo)體碳材料表面富集了大量Geobacter和Methanosaeta，其豐度明顯高于懸浮污泥，這說明導(dǎo)體碳材料能夠促進(jìn)由Geobacter和Methanosaeta形成的產(chǎn)甲烷DIET。當(dāng)厭氧消化器遭受高負(fù)荷沖擊或酸性抑制時，厭氧體系內(nèi)在的IHT受阻，造成產(chǎn)甲烷代謝停滯。相反，導(dǎo)體碳材料促進(jìn)的

8、DIET能夠取代IHT成為互養(yǎng)代謝的主要工作模式，維持厭氧甲烷化的穩(wěn)定。針對水解過程受限的復(fù)雜有機(jī)物，僅投加導(dǎo)體碳材料并不能有效地提高厭氧消化的效率。投加磁鐵礦(主要成分是Fe3O4)于厭氧水解酸化段，能夠富集Fe(Ⅲ)還原菌，并通過異化鐵還原過程強(qiáng)化復(fù)雜有機(jī)物的分解;在此基礎(chǔ)，投加顆粒活性炭(GAC)于產(chǎn)甲烷段，能夠構(gòu)建互養(yǎng)微生物的產(chǎn)甲烷DIET，加快有機(jī)酸的分解速率。
　　(3)針對常規(guī)厭氧消化器內(nèi)缺乏Geobacter，采用

9、熱力學(xué)上氧化并釋放熱能較高的乙醇作為碳源，馴化UASB反應(yīng)器。馴化結(jié)束后，采用乙醇模式馴化的反應(yīng)器表現(xiàn)出較高的丙酸/丁酸代謝性能。相比傳統(tǒng)模式（沒有投加乙醇）馴化的反應(yīng)器，采用乙醇模式馴化的反應(yīng)器能夠承受更高負(fù)荷的丙酸/丁酸沖擊。污泥電導(dǎo)率結(jié)果表明，采用乙醇模式馴化的顆粒污泥電導(dǎo)率是傳統(tǒng)模式馴化的5-76倍。此外，采用乙醇模式馴化的顆粒污泥內(nèi)微生物互養(yǎng)代謝對于投加GAC表現(xiàn)出積極響應(yīng)，但卻幾乎不受高氫分壓的影響。相比傳統(tǒng)模式馴化的顆粒污

10、泥，在乙醇模式馴化的顆粒污泥中，Geobacter的豐度提高2-3％，Methanosaeta和Methanosarcina的豐度之和提高10-20％。這些結(jié)果表明，乙醇能夠富集Geobacter，并推動其與產(chǎn)甲烷菌形成的DIET，加快有機(jī)酸的分解速率。為了進(jìn)一步促進(jìn)乙醇模式構(gòu)建的產(chǎn)甲烷DIET，生物碳被填充至乙醇模式馴化的反應(yīng)器。結(jié)果表明，生物碳的投加能夠進(jìn)一步提高互養(yǎng)丙酸/丁酸代謝。在生物碳表面附著的污泥中，Geobacter的豐度