徐沛,賈璇,王勇,亓雪嬌,趙玉嬌,李鳴曉
(1 中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012;2 北京工商大學(xué),國家環(huán)境保護(hù)食品鏈污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100048)
化石燃料的急劇消耗不僅使得全球能源危機(jī)日益加重,還造成溫室氣體猛增,氣候變化成為全球性問題。根據(jù)國際能源署統(tǒng)計(jì),2015年全球CO排放量為32.4Gt,其中我國排放量占全球總排放量的28%。2020 年,我國在聯(lián)合國大會上提出“碳達(dá)峰”、“碳中和”的目標(biāo),成為全球碳減排的動力站,碳捕集、利用與封存(carbon capture,utilization and storage,CCUS)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。目前CCUS技術(shù)主要分為物理法和化學(xué)法,利用物理吸附和化學(xué)吸附等手段對CO進(jìn)行捕集,而微生物電化學(xué)法作為一項(xiàng)新興的CCUS技術(shù),其有著綠色、環(huán)保和效率高等優(yōu)勢。近年來,有學(xué)者采用微生物電解池(microbial electrolysis cell,MEC)進(jìn)行CO捕集與利用。通過MEC 生物陰極的功能微生物電催化作用將CO轉(zhuǎn)化為低碳能源CH或高附加值的小分子平臺化合物,如甲酸、乙酸和丙酸等。Liu 等研究發(fā)現(xiàn)MEC 可以有效地對生物沼氣中的CO進(jìn)行捕集轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)22.7%。
利用MEC進(jìn)行CO捕集和還原的過程發(fā)生在生物陰極上。研究表明,生物陰極的電子和質(zhì)子利用效率是限制MEC 還原CO效率的關(guān)鍵因素。因此,提高生物陰極的電子和質(zhì)子利用效率是提高M(jìn)EC還原CO性能的關(guān)鍵。流場是流體在某時刻的空間分布和連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動,有研究表明良好的流場可以改善反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)效果,提高微生物活性,增強(qiáng)反應(yīng)器性能,而水力循環(huán)條件是影響反應(yīng)器內(nèi)部流場的重要因素之一。目前,關(guān)于流場的研究主要集中在厭氧消化領(lǐng)域,Chou等研究發(fā)現(xiàn)水力循環(huán)優(yōu)化膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器的內(nèi)部流場,進(jìn)而增強(qiáng)了基質(zhì)和污泥之間的傳質(zhì)過程,提高了對苯酚的去除效率。Gao 等采用停留時間分布和計(jì)算流體力學(xué)等方法優(yōu)化MEC 中的內(nèi)部流場,使反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷性能和有機(jī)物去除性顯著提高。Tavares等提出在厭氧多相流工況下,水力循環(huán)產(chǎn)生的剪切力有利于物料表面生物膜的形成,從而提高了厭氧發(fā)酵速率。黃如一等進(jìn)一步驗(yàn)證了水力循環(huán)在發(fā)酵啟動階段的加速作用,表明了水力循環(huán)在啟動階段的重要性。綜上所述,流場通過改善傳質(zhì)過程,從而對提高產(chǎn)甲烷性能、加快污染物降解以及加速厭氧發(fā)酵階段有著重要的影響,然而流場對MEC 生物陰極還原CO性能及其產(chǎn)物的影響還未有報(bào)道。
本文旨在探究流場提高M(jìn)EC生物陰極CO還原性能和定向調(diào)控產(chǎn)乙酸的重要作用。通過改變陰極室內(nèi)流場環(huán)境,通過質(zhì)子、電子利用效率計(jì)算及微生物群落演替分析,闡明流場與MEC生物陰極CO還原性能、產(chǎn)物的響應(yīng)規(guī)律,為碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的實(shí)施提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
實(shí)驗(yàn)采用雙室型MEC,有機(jī)玻璃材質(zhì),反應(yīng)器尺寸為210mm×210mm×150mm,單室有效容積為0.5L,陰陽極室由Nafion117 質(zhì)子交換膜(PEM)隔開。陰極和陽極材料均為石墨氈(10cm×10cm×0.5cm),且垂直放置在陽極和陰極室中,外加直流電源(Keithley2280S-32-6 型)0.8V,采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Keithley Instruments 2700,USA)記錄電壓值,反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 MEC反應(yīng)裝置示意圖
在MEC 啟動和運(yùn)行階段,分別設(shè)置循環(huán)組和對照組。循環(huán)組通過蠕動泵連接陰極室的進(jìn)水口和出水口,陰極液循環(huán)流速為60mL/min;對照組不進(jìn)行陰極液的循環(huán)。循環(huán)組和對照組的陽極均為靜態(tài)放置。MEC 反應(yīng)器均采用間歇式進(jìn)料模式,運(yùn)行周期為4天。在啟動階段開始前,分別取150mL的厭氧顆粒污泥和300mL 的營養(yǎng)液加入MEC 的陰極室和陽極室,接入的第一個周期不施加恒電壓,待第二個周期接入電源后,即為啟動周期的開始。陽極和陰極共同營養(yǎng)液成分為:NaHPO,4.09g/L;NaHPO,2.54g/L;NHCl,0.31g/L;KCl,0.13g/L。陽極室以1.00g/L 的CHCOONa 作為碳源,陰極室以1.50g/L的NaHCO作為碳源,維生素與微量元素溶液配方參照文獻(xiàn)[16]。當(dāng)電流密度和陰極產(chǎn)物消耗電子量連續(xù)3 個周期保持穩(wěn)定后視為啟動成功。MEC 啟動成功后去除陰極和陽極室中的厭氧顆粒污泥,進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。
乙醇和揮發(fā)性脂肪酸(甲酸、乙酸、丙酸、正丁酸和異丁酸)含量分析,采用高效液相色譜法(HPLC,Agilent 1260 Infinity 型,美國),使用210nm 紫外檢測器和Hi-plexH 色譜柱(安捷倫,尺寸7.7′300mm,粒徑8μm) 測定。流動相為0.005mol/L HSO,流速為0.006mL/min。氣體成分及含量測定使用氣相色譜儀(Shimadzu,GC 2010 Pro,日本),色譜條件為:色譜柱采用填充柱(Shimadzu,Molecular Sieve,60/80 mesh),TCD 熱導(dǎo)檢測器,柱溫50℃,進(jìn)樣口溫度100℃,檢測器溫度110℃,電流30mV,載氣為高純氬氣,進(jìn)樣量1mL。
采用高通量測序技術(shù)對MEC 陰極生物膜、陰極液和接種物進(jìn)行檢測。 使用338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′) 和806R (5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′) 對16SrRNA 基因V3-V4 可變區(qū)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,擴(kuò)增程序如下:95℃預(yù)變性3min,27 個循環(huán)(95℃變性30s,55℃退火30s,72℃延伸30s),然后72℃穩(wěn)定延伸10min,最后在4℃進(jìn)行保存(PCR 儀為ABI GeneAmp?9700 型)。 PCR 反應(yīng)體系為: 5×緩沖液4μL,2.5m mol/L dNTPs 2μL,上游引物(5μmol/L) 0.8μL,下游引物(5μmol/L) 0.8μL,DNA 聚合酶0.4μL,模板DNA 10ng,ddHO補(bǔ)足至20μL。每個樣本3 個重復(fù)。本文中出現(xiàn)的高通量樣品編號為:接種物(A)、循環(huán)組陰極生物膜(C2)、對照組陰極生物膜(C1)、循環(huán)組陰極液(S2)以及對照組陰極液(S1)。
電路電流根據(jù)電阻電壓通過歐姆定律計(jì)算得到,并換算成基于MEC 陽極面積的電流密度。電流密度計(jì)算如式(1)。
式中,為電流密度,mA/m;為數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測到的電壓,mV;為外部電阻,Ω;為電極面積,m。
陰極生成產(chǎn)物所消耗的電子量計(jì)算如式(2)。
式中,為產(chǎn)物所消耗的電子量,C;為生成產(chǎn)物的物質(zhì)的量,mol;為1mol 產(chǎn)物所需要的電子數(shù)(8mol e/mol CH,8mol e/mol 乙酸);是法拉第常數(shù),96485C/mol。
外電路轉(zhuǎn)移電子量的計(jì)算為式(3)。
式中,為外電路轉(zhuǎn)移電子量,C;為在時間時的電流值,A。
總電子利用效率的計(jì)算如式(4)。
式中,為整體電子利用效率,%;為產(chǎn)物所消耗的電子量,C;為外電路轉(zhuǎn)移電子量,C。
如圖2(a)所示,未加流場的對照組在啟動和運(yùn)行過程中甲烷產(chǎn)量呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的狀態(tài),甲烷平均產(chǎn)量為0.429mmol。而循環(huán)組在啟動階段甲烷產(chǎn)量逐漸上升,甲烷平均產(chǎn)量達(dá)到0.463mmol且在第四周期達(dá)到最大值(0.800mmol)。這一結(jié)果表明在啟動階段前期通過陰極內(nèi)循環(huán)的方式可以提高M(jìn)EC的產(chǎn)甲烷性能,加快反應(yīng)器的啟動。主要原因可能是當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)有足夠的剪切力時,厭氧微生物之間用于代謝物快速運(yùn)輸?shù)臄U(kuò)散距離可以縮短,從而對反應(yīng)器產(chǎn)甲烷性能產(chǎn)生積極影響。然而,在之后的3個周期(第五、第六和第七周期)中,循環(huán)組的甲烷產(chǎn)量顯著降低,陰極開始產(chǎn)乙酸[如圖2(b)所示],這與啟動階段前3個周期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反,可能由以下原因?qū)е缕浣Y(jié)果:首先,在啟動階段初期,由于兩組實(shí)驗(yàn)啟動時接種的厭氧顆粒污泥相同,顆粒污泥富含豐富的產(chǎn)甲烷菌;其次,啟動開始的3個周期是陰極生物膜形成階段,此時嗜氫型產(chǎn)甲烷菌利用氫傳遞途徑產(chǎn)甲烷,兩組實(shí)驗(yàn)產(chǎn)甲烷情況相近,循環(huán)組由于流場的影響略高于對照組。隨著反應(yīng)器啟動成功,循環(huán)組陰極生物膜結(jié)構(gòu)在流場作用下發(fā)生改變,由圖6(a)可知,產(chǎn)乙酸菌豐度逐漸提高,同時循環(huán)組陰極也檢測到乙酸的產(chǎn)生。
圖2 陰極甲烷和乙酸產(chǎn)量
圖6 陰極生物膜和陰極液中細(xì)菌在屬水平上的分布
由圖2(b)可知,在整個啟動和運(yùn)行周期內(nèi),循環(huán)組的平均乙酸產(chǎn)量(0.303mmol)遠(yuǎn)高于對照組(0.0425mmol)。循環(huán)組的乙酸產(chǎn)量總體呈現(xiàn)上升趨勢,并在第7周期達(dá)到最大值(0.630mmol)。而對照組的乙酸產(chǎn)量先上升后下降,且最大值(0.0400mmol)在第4周期取得。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,與純產(chǎn)甲烷菌的培養(yǎng)相比,混合接種法可能會產(chǎn)生乙酸等其他副產(chǎn)物。并且在循環(huán)組啟動后期,剪切力可能會破壞產(chǎn)甲烷菌與其他細(xì)菌之間的空間結(jié)構(gòu),從而削弱了MEC 的產(chǎn)甲烷性能,從而使得陰極產(chǎn)物逐漸由甲烷轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜帷?/p>
綜上所述,循環(huán)組在啟動階段的陰極總CO還原產(chǎn)物(甲烷、乙酸)要顯著高于對照組,并且促使MEC生物陰極還原CO產(chǎn)物逐漸由甲烷轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜幔砻髁鲌霾粌H提高了生物陰極CO還原能力,還改變了CO轉(zhuǎn)化途徑。
圖3(a)顯示的是兩組反應(yīng)器在整個運(yùn)行周期內(nèi)(28 天)電流密度隨時間的變化過程。由圖3(a)可知,在一個運(yùn)行周期內(nèi),兩組反應(yīng)器的電流密度隨時間呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在整個運(yùn)行周期中,循環(huán)組的電流密度逐漸上升,在第四周期達(dá)到峰值(0.350A/m)且在之后保持穩(wěn)定狀態(tài),此時的甲烷產(chǎn)量也達(dá)到最大(0.800mmol),生成甲烷所消耗的電子量為617.850C。結(jié)合前文以及表1可知,在第七周期,循環(huán)組中的乙酸產(chǎn)量達(dá)到最大值(0.630mmol),此時生成甲烷和乙酸所消耗的電子量為176.430C 和483.950C,該消耗電子總量與第四周期的相近。這說明陽極基質(zhì)氧化產(chǎn)生的質(zhì)子和電子并沒有完全轉(zhuǎn)化為甲烷。對照組的電流密度整體保持穩(wěn)定的水平,峰值為0.260A/m,整體生成甲烷所消耗的電子量約330.900C,該值大約是循環(huán)組的1/2。
圖3 兩組反應(yīng)器在整個運(yùn)行周期內(nèi)電流密度以及pH變化
由表1可以得出,通過積分計(jì)算外電路轉(zhuǎn)移電子量,在第四周期,對照組和循環(huán)組的外電路轉(zhuǎn)移電子量分別為446.470C 和759.380C,此時兩組反應(yīng)器中的陰極產(chǎn)物總量分別為0.580mmol、0.920mmol。再結(jié)合循環(huán)組和對照組的分別為79.33%、89.33%,表明水力循環(huán)方式增大了外電路轉(zhuǎn)移電子量以及相應(yīng)的陰極產(chǎn)物量,并且總電子利用效率也提高了10%。
表1 陰極產(chǎn)物所消耗電子量Q、外電路轉(zhuǎn)移電子量Qw
通過計(jì)算產(chǎn)甲烷和產(chǎn)乙酸所消耗電子量發(fā)現(xiàn),在對照組中,產(chǎn)甲烷所消耗電子量占比先降后升,波動范圍為72.7%~100%,平均產(chǎn)乙酸所消耗電子量占比為8%。而在循環(huán)組中,產(chǎn)甲烷所消耗電子量占比呈現(xiàn)下降趨勢。第一周期,產(chǎn)甲烷所消耗電子量占比為98%,產(chǎn)乙酸所消耗電子量占比為2%。第七周期,產(chǎn)甲烷所消耗電子量占比為36.4%,產(chǎn)乙酸所消耗電子量占比為63.6%,平均產(chǎn)乙酸所消耗電子量占比為38%,表明隨著運(yùn)行周期的不斷推進(jìn),電子的利用途徑逐漸從產(chǎn)甲烷過程轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)乙酸過程。
圖3(b)為兩組反應(yīng)器在整個運(yùn)行周期內(nèi)(28天)pH 隨時間的變化趨勢。由圖3(b)可知,循環(huán)組的pH 范圍為7.09~8.66,該范圍高于對照組(7.05~7.68)。有文獻(xiàn)表明陰極液pH升高可能與陰極生物電催化過程質(zhì)子消耗有關(guān),pH 隨著產(chǎn)物總量的增大而增大。在第四周期,循環(huán)組的pH 達(dá)到峰值(8.66),此時陰極產(chǎn)物(乙酸、甲烷)總量達(dá)到最大值,表明當(dāng)陰極采取水力循環(huán)的啟動方式時,陰極的質(zhì)子消耗量顯著提高。
可見,水力循環(huán)方式不僅提高了MEC 生物陰極的總電子利用效率(10%),還提高了質(zhì)子的消耗量,增加了MEC 陰極乙酸產(chǎn)量,提高了MEC 生物陰極產(chǎn)乙酸性能。
2.3.1 MEC陰極微生物群落多樣性
表2列舉了兩組反應(yīng)器陰極和陰極液的微生物群落Alpha 多樣性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由表2 可知,無論是對照組還是循環(huán)組,微生物群落的豐度和多樣性都比接種物有所提高,表明MEC 陰極的馴化過程對微生物群落結(jié)構(gòu)有著重要的影響。相比于對照組,循環(huán)組中陰極和陰極液的Ace 指數(shù)和Chao 指數(shù)均有所下降,表明流場導(dǎo)致MEC 陰極和陰極液的微生物群落豐度明顯降低。循環(huán)組和對照組的陰極Shannon指數(shù)分別為4.141和3.637,陰極Simpson指數(shù)分別為0.0350和0.0680,表明循環(huán)組的陰極微生物多樣性要低于對照組。而兩組中的陰極液微生物多樣性呈現(xiàn)相反的趨勢,與圖4中陰極和陰極液中的古菌分布趨勢相吻合。這表明陰極水力學(xué)條件會影響到其優(yōu)勢菌群的富集,但是同時也會導(dǎo)致其微生物多樣性和豐度有所下降。
圖4 陰極生物膜和陰極液中古菌在屬水平上的分布(豐度≤0.2%都被歸類于“其他”)
表2 微生物群落Alpha多樣性比較
2.3.2 MEC陰極微生物群落結(jié)構(gòu)演替
接種物(厭氧顆粒污泥)、不同反應(yīng)器陰極生物膜以及陰極液中古菌在屬水平上的分布如圖4所示。由圖4 可知,接種物中的嗜氫型產(chǎn)甲烷菌()和嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌()相對豐度分別達(dá)到62.8%、35.7%。將厭氧顆粒污泥接種到MEC 中后,陰極生物膜和陰極液中的古菌相對豐度均發(fā)生了顯著的變化,類似現(xiàn)象也在還原CO產(chǎn)甲烷BES 中被發(fā)現(xiàn)。對照組中陰極生物膜上的嗜氫型產(chǎn)甲烷菌相對豐度最大(59%),其次是嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌(39%),這一趨勢與其陰極液中的產(chǎn)甲烷菌豐度變化保持一致。但是在循環(huán)組的陰極生物膜上,嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌的豐度最大,其占比達(dá)到了76%,而嗜氫型產(chǎn)甲烷菌豐度為24%。這一趨勢與其陰極液中的優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌豐度(9.9%、86.1%) 有著顯著的差別。并且相比于接種物,循環(huán)組生物陰極上的嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌豐度提高了大約2倍,其原因可能是嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌的耐剪切能力較強(qiáng)。這一現(xiàn)象與Hoffmann等的研究結(jié)果一致,甲烷絲菌屬()在厭氧生物膜中是以長絲狀生長,可以在高剪切力的厭氧反應(yīng)器中生長。并且結(jié)合前文內(nèi)容,循環(huán)組后期出現(xiàn)了MEC 陰極產(chǎn)乙酸的現(xiàn)象,產(chǎn)乙酸環(huán)境也有可能導(dǎo)致嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌的富集。度發(fā)生了明顯的變化。在循環(huán)組中,陰極生物膜上的菌群豐度(59.3%)占絕對優(yōu)勢,而陰極液中的相對豐度只占到20.4%,其豐度與(20.1%)相當(dāng)。相反的是,對照組中豐度(35.4%) 大約是陰極液(11%)的3倍??梢?,流場的變化對生物陰極細(xì)菌豐度有顯著影響。Guo 等研究表明,、和會參與產(chǎn)酸過程,這可能是MEC陰極CO還原過程產(chǎn)乙酸的原因。
圖5 陰極生物膜和陰極液中細(xì)菌在門水平上的分布(豐度≤0.2%都被歸類于“其他”)
如圖6所示,在屬水平上,按照微生物的主要功能,將細(xì)菌菌群分為三大類:與乙酸代謝相關(guān)類、與氫氣相關(guān)類和其他具有重要功能種群。第一類(乙酸相關(guān)類)主要指的是具備產(chǎn)酸或酸降解的細(xì)菌;第二類(氫氣類)主要指的是具備嗜氫或產(chǎn)氫功能的細(xì)菌;第三類(其他類)主要指的是在MEC 還原CO中具有重要功能的種群。從圖6(a)可知,循環(huán)組陰極生物膜上(Cathode2) 的和相對豐度分別達(dá)到11.1%和20.1%,總占比達(dá)到31.2%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對照組和接種物中的豐度。和為均可利用有機(jī)碳和氮的化學(xué)自養(yǎng)型微生物,這兩種細(xì)菌的富集可能是因?yàn)檠h(huán)組陰極室大量乙酸的積累。循環(huán)組和對照組中主要的產(chǎn)酸菌是和,總相對豐度分別為11.3% 和7.5%。這兩種菌都是在厭氧條件下產(chǎn)酸的功能微生物。循環(huán)組中的總占比為6.6%,高于對照組(5.9%)。是與產(chǎn)甲烷古菌互養(yǎng)的細(xì)菌,參與種間直接電子傳遞。
由圖6(b)可知,接種物中(3.1%)為優(yōu)勢菌,經(jīng)過馴化后,循環(huán)組和對照組中相對豐度顯著提高,成為優(yōu)勢菌,分別達(dá)到7.5%和17.3%。是一種以氧化H作為能源的自養(yǎng)細(xì)菌,對體系中的質(zhì)子和電子利用有著促進(jìn)作用。
由圖6(c)可知,循環(huán)組中陰極生物膜和陰極液中的相對豐度占比分別達(dá)到1.2%和3.5%,而在對照組中,該菌在陰極生物膜和陰極液中的占比(8.2%、3.3%)呈現(xiàn)相反趨勢,表明流場對該菌在MEC 的分布有一定的影響。是一種硫酸鹽還原菌,研究發(fā)現(xiàn)其與氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌存在互養(yǎng)關(guān)系。此外,據(jù)報(bào)道的外膜中含有不同類型的細(xì)胞色素,表明可能參與了電極上的電子傳遞過程。
綜上所述,循環(huán)組陰極室的產(chǎn)酸菌(、)豐度(11.3%)顯著高于對照組(7.5%),乙酸降解菌(、)為循環(huán)組陰極生物膜上的優(yōu)勢菌屬,表明流場促使生物陰極功能微生物群落由產(chǎn)甲烷菌為主向產(chǎn)乙酸菌演替。
(1)流場不僅提高了MEC生物陰極的CO還原能力,還使其CO轉(zhuǎn)化途徑由啟動階段的產(chǎn)甲烷為主轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行階段的產(chǎn)乙酸為主。
(2)流場促使循環(huán)組中生物陰極上的優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌由嗜氫型產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)變?yōu)槭纫宜嵝彤a(chǎn)甲烷菌,并且產(chǎn)酸菌(、)豐度相較于對照組提高了1.5 倍,表明流場顯著影響生物陰極以及陰極液的微生物群落結(jié)構(gòu)。
(3)該研究進(jìn)一步驗(yàn)證了流場對MEC還原CO生物陰極有著重要的影響,可為MEC還原CO產(chǎn)乙酸的定向調(diào)控研究提供理論和技術(shù)支撐。