MFCs降解藻類生物質(zhì)的預(yù)處理方法研究進展

宗友健，王 強，魯秀國，姚 娜，胡林凱，張 萌

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330000；2.江西省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究與規(guī)劃院，江西南昌 330000）

近年來，大量氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)被排入水體，導(dǎo)致藻華頻繁爆發(fā)，嚴(yán)重威脅人類健康和生態(tài)安全。處理藻華時會產(chǎn)生大量藻類生物質(zhì)，這些藻類生物質(zhì)富含蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)，可用于生產(chǎn)生物燃料，如生物柴油、甲烷、甲醇和氫氣等〔1〕。由于技術(shù)原因，藻類生物質(zhì)產(chǎn)生生物燃料的效率較低且成本較高。新興的藻類生物質(zhì)微生物燃料電池（MFCs）可通過電活性微生物催化降解藻類生物質(zhì)，并將藻類生物質(zhì)中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，這種獨特的能源環(huán)境效應(yīng)使其受到科研人員的廣泛關(guān)注〔2-4〕。

藻類生物質(zhì)在MFCs中的降解效能受藻類細胞壁和有機分子復(fù)雜程度的直接影響〔5-6〕。這是由于藻類生物質(zhì)存在于細胞壁包裹的藻細胞中，電活性微生物催化降解藻類生物質(zhì)需首先破壞細胞壁，而大多數(shù)藻類細胞壁的強度較高〔7〕，阻礙電活性微生物對藻類生物質(zhì)的有效利用；此外，相較于大分子有機物，MFCs中的電活性微生物更易降解小分子有機物，如乙酸、葡萄糖、乳酸等〔8〕，而藻類生物質(zhì)主要為蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)等復(fù)雜大分子有機物〔6〕，導(dǎo)致電活性微生物直接催化降解藻類生物質(zhì)的效率較低。為了提高MFCs降解藻類生物質(zhì)的效能，首先要破壞難降解的藻類細胞壁，其次需將藻類生物質(zhì)中復(fù)雜的大分子有機物分解為電活性微生物易利用的小分子有機物。

藻類生物質(zhì)的預(yù)處理方法通過破壞細胞壁和分解復(fù)雜有機物為小分子，提高了藻類生物質(zhì)的溶解性和生物降解性〔9〕，對于提高MFCs降解藻類生物質(zhì)的效能至關(guān)重要〔2，10〕。近年來研究者已開發(fā)多種用于藻類生物質(zhì)預(yù)處理的方法，包括物理法、化學(xué)法、生物法及聯(lián)合法，筆者對這些預(yù)處理方法進行綜述，對比了不同預(yù)處理方法改善MFCs降解藻類生物質(zhì)的效果，評估不同預(yù)處理方法的能耗和經(jīng)濟性，并展望了未來應(yīng)用于MFCs的藻類生物質(zhì)預(yù)處理方法的發(fā)展趨勢。

1 藻類生物質(zhì)的預(yù)處理方法

1.1 物理法

MFCs降解藻類生物質(zhì)時用到的物理預(yù)處理方法主要包括機械法、加熱法、微波法和超聲波法。與其他預(yù)處理方法相比，物理法的優(yōu)勢在于處理過程可以保護藻類生物質(zhì)免受污染，同時可作為前置預(yù)處理步驟與其他預(yù)處理方法組合使用，提高預(yù)處理效率。

1.1.1 機械法

機械預(yù)處理是一種廣泛應(yīng)用的方法，通過切削、研磨、粉碎等機械操作直接破壞藻類的細胞壁和細胞膜，可減小藻類生物質(zhì)的顆粒尺寸，破壞結(jié)晶度和聚合度，進而增加反應(yīng)比表面積，同時釋放出藻類細胞內(nèi)的有機物，使藻類生物質(zhì)的生物降解性得以提高〔9〕。采用機械法預(yù)處理蠕蟲叉紅藻（Furcellaria lumbricalis）、墨 角藻（Fucus vesiculosus）和一種絲狀紅藻（Filamentous red algae）時，3種藻的結(jié)構(gòu)均被破環(huán)，且藻類中的有機物被釋放，溶液中可溶性COD分別是未經(jīng)處理的2.4、3.0、1.5倍〔11〕。在MFCs降解藻類生物質(zhì)的研究中，機械預(yù)處理法較少單獨使用，通常作為預(yù)處理前置步驟與其他方法聯(lián)用〔4，12-14〕。

1.1.2 加熱法

加熱預(yù)處理可分解藻類的所有細胞結(jié)構(gòu)，使細胞形態(tài)發(fā)生顯著變化，破壞細胞壁和細胞膜，增加細胞外可溶性有機物的含量〔15〕。烘干和水熱是加熱預(yù)處理最常用的方法。烘干預(yù)處理的溫度為50～200℃，50～100℃條件下藻類生物質(zhì)發(fā)生脫水，120～200℃時維持機械強度的氫鍵被破壞，藻類生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變〔16〕。水熱或加壓水熱預(yù)處理是常規(guī)加熱處理的替代方法，主要包括濕式氧化過程和熱水解過程，產(chǎn)生的多種自由基和水解反應(yīng)能夠破壞細胞，并將復(fù)雜的大分子有機物氧化及水解為小分子易降解的揮發(fā)性脂肪酸等，如乙酸〔17〕。在120～260℃和高壓的水熱條件下，水以亞臨界狀態(tài)存在，能夠促進纖維素和半纖維素的水解，同時也有利于糠醛、羥甲基糠醛、甲酸和乙酰丙酸等糖轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的形成〔18〕。MFCs降解藻類生物質(zhì)時，加熱預(yù)處理過程中氫鍵斷裂、纖維素和半纖維素的水解及糖化產(chǎn)物形成等，有利于提高藻類生物質(zhì)的溶解性和生物可降解性，促進MFCs中電活性微生物降解藻類生物質(zhì)。

MFCs降解藻類生物質(zhì)的效能與加熱預(yù)處理的時間和溫度呈正相關(guān)關(guān)系，這是由于藻類生物質(zhì)溶液中可溶性COD受加熱預(yù)處理時間和溫度的影響。M.D.MARSOLEK等〔19〕研究了微綠球藻（Nanochloropsissp.）的厭氧消化過程，當(dāng)加熱預(yù)處理時間由1 h增加至12 h，可溶性COD由42.8 g/L增加至49.4 g/L；加熱溫度從30℃提升至90℃時，可溶性COD由39.6 g/L增加至44.8 g/L。C.M.FERNáNDEZ-MARCHANTE等〔20〕利用MFCs降解小球藻（Chlorella vulgaris），發(fā)現(xiàn)加熱預(yù)處理溫度由25℃升至95℃時，溶液中的COD由736.0 mg/L升至846.0 mg/L，運行70 d，95℃預(yù)處理的MFCs最大輸出功率密度為72.5 mW/m2，遠高于25℃預(yù)處理MFCs（36.5 mW/m2）。其原因一方面在于較高預(yù)處理溫度下溶液COD更高，另一方面為低溫預(yù)處理時藻類多以完整細胞形態(tài)存在，易沉積在陽極電極上污染電極。

1.1.3 微波法

與常規(guī)加熱預(yù)處理相比，微波預(yù)處理具有更高的加熱效率且能隨時控制熱解過程〔21〕。常規(guī)加熱時，熱量沿溫度梯度從藻類生物質(zhì)顆粒表面?zhèn)鬟f至顆粒中心，而微波加熱直接將電磁能轉(zhuǎn)化為分子水平的熱量，能夠同時均勻加熱藻類生物質(zhì)顆粒的表面和中心〔22〕。利用微波預(yù)處理藻類生物質(zhì)時，微波在藻細胞中迅速生成的熱量和壓力引發(fā)細胞水解，迫使生物基質(zhì)從藻類細胞內(nèi)釋放出來，還可使大分子物質(zhì)極化，導(dǎo)致氫鍵斷裂〔23〕，有助于提高MFCs中電活性微生物對藻類生物質(zhì) 的 降 解。V.GADHAMSHETTY等〔24〕以糖 褐 藻（Laminaria saccharina）生物質(zhì)為MFCs陽極底物，探究微波預(yù)處理對MFCs降解藻類生物質(zhì)效能的影響，發(fā)現(xiàn)糖褐藻生物質(zhì)經(jīng)750 W微波處理20 min后，溶液中的COD由1.6 g/L提高至2.2 g/L，MFCs的最大輸出功率密度由86 mW/m2增加至118 mW/m2，COD去除率由60%提高至65%。

1.1.4 超聲波法

超聲波預(yù)處理主要通過超聲波的空化效應(yīng)和熱效應(yīng)增加藻類生物質(zhì)的溶解性和生物可降解性。其中，空化效應(yīng)可使水溶液中形成的微泡迅速膨脹后突然閉合，而微泡閉合時產(chǎn)生沖擊波可破壞藻細胞，釋放胞內(nèi)基質(zhì)；此外，此過程中高溫、高壓和極端剪切力還能促進大分子復(fù)雜有機物分解為小分子有機物〔25〕。通過增加超聲波預(yù)處理的時間可最大限度地破壞細胞和提高可溶性COD。S.CHO等〔26〕利用超聲波預(yù)處理一種小球藻（C.sp.）與一種柵藻（Scenedesmussp.）的混合生物質(zhì)，處理時間由30 s延長至180 s，可溶性COD由973 mg/L增加到2 282 mg/L。與加熱預(yù)處理法相比，超聲波預(yù)處理具有更高的處理效率。C.GONZáLEZFERNáNDEZ等〔27〕對比了超聲法和加熱法處理一種柵藻（S.sp.）生物質(zhì)的效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)頻率為20 Hz、能量密度為47.2 MJ/kg的超聲波處理后，柵藻溶液溫度升高至62℃，可溶性COD約為730 mg/L，遠高于70℃加熱條件下的COD（540 mg/L）。超聲波法處理藻類生物質(zhì)后增加的可溶性COD有助于提高MFCs的降解效能。Huan WANG等〔28〕在4℃下用超聲波（3.5 W/mL）對銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）破碎20 min并以0.45μm濾膜過濾，以處理后COD為525 mg/L的銅綠微囊藻生物質(zhì)溶液為MFCs的陽極底物，獲得高達4 140 mW/m3的最大輸出功率和81%的COD去除率。

1.2 化學(xué)法

化學(xué)預(yù)處理是最常用的藻類生物質(zhì)預(yù)處理方法，主要包括堿預(yù)處理、酸預(yù)處理和氧化預(yù)處理等〔9〕。在堿預(yù)處理過程中，藻類生物質(zhì)中的木質(zhì)素和纖維素通過木聚糖的交聯(lián)皂化反應(yīng)發(fā)生解聚，同時伴隨著木質(zhì)纖維素的膨脹，以便微生物或酶類能夠更容易水解糖類化合物。常用的堿預(yù)處理試劑有氫氧化鈉、氫氧化鈣和氨水等〔29〕。P.BOHUTSKYI等〔29〕用50%NaOH溶液處理小球藻（C.sp.）和微擬球藻（Nannochloropsissp.），可 溶性COD分 別 增加 了70%、48%。與堿預(yù)處理相比，酸預(yù)處理能夠更有效地溶解半纖維素，將其高效水解成木糖和其他糖類〔30〕。硫酸為最常用的酸預(yù)處理試劑，其次為鹽酸和硝酸〔3〕。經(jīng)高濃度酸或堿預(yù)處理之后通常需要對藻類生物質(zhì)進行中和處理，以避免對后續(xù)生物降解過程產(chǎn)生影響。相比之下，藻類生物質(zhì)化學(xué)氧化預(yù)處理可以在較溫和的溫度和壓力下進行，不僅能將木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等氧化裂解，還能將藻細胞內(nèi)的復(fù)雜大分子有機物氧化分解為小分子有機物，且預(yù)處理后不會有殘留，具有操作簡便、高效和無二次污染等特點〔31〕。對于常用的藻類生物質(zhì)，化學(xué)氧化預(yù)處理試劑為過氧化氫和臭氧，但臭氧的成本較過氧化氫高〔32〕。

在MFCs降解藻類生物質(zhì)的研究中，化學(xué)預(yù)處理能夠顯著提高藻類生物質(zhì)的溶解性和可生物降解性，其中堿預(yù)處理和酸預(yù)處理應(yīng)用較多，氧化預(yù)處理還未見報道。Huan WANG等〔33〕以凈水廠氣浮法除藻后積累的藻泥為陽極底物，堿預(yù)處理之后調(diào)節(jié)pH至7，發(fā)現(xiàn)堿預(yù)處理后溶解性COD由541 mg/L增至2 140 mg/L，MFCs最大輸出功率密度由226 mW/m2升至311 mW/m2，COD總?cè)コ视?3%增至57%。與其他方法相比，化學(xué)預(yù)處理操作簡單、能耗低，可在短時間內(nèi)獲得較好的預(yù)處理效果〔34〕。但化學(xué)預(yù)處理可能產(chǎn)生抑制后續(xù)生物處理的中間產(chǎn)物，因此，單獨的化學(xué)預(yù)處理應(yīng)用較少，多與加熱預(yù)處理聯(lián)合應(yīng)用，如在MFCs降解滸苔（Enteromorpha prolifera）和斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）生物質(zhì)的研究中，酸預(yù)處理均與加熱法聯(lián)合使用〔3〕。

1.3 生物法

藻類生物質(zhì)的生物預(yù)處理方法可分為兩類，一類是酶直接水解藻類生物質(zhì)，另一類是微生物細胞（細菌或真菌）作生物催化劑分解藻類生物質(zhì)〔9〕。目前，用于藻類生物質(zhì)預(yù)處理的商業(yè)酶主要有纖維素酶、木聚糖酶、脂肪酶、蛋白酶、α-淀粉酶和淀粉糖苷酶等〔35-36〕。由于藻類細胞壁由多種復(fù)雜的聚合物構(gòu)成，而生物酶具有高度特異性，因此，需要多種酶混合才能有效水解藻類細胞壁，預(yù)處理成本較高。相較于酶法，微生物細胞能夠自我復(fù)制，無需不斷投加，因而成本更低，應(yīng)用更廣泛。微生物細胞處理藻類生物質(zhì)時，主要通過真菌產(chǎn)生的漆酶和過氧化物酶降解木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等，利用厭氧菌發(fā)酵的水解和酸化作用將復(fù)雜大分子有機物分解為易降解的小分子有機物。

目前，MFCs中藻類生物質(zhì)的生物預(yù)處理法主要采用微生物細胞，包括純菌和混菌。Y.E.SONG等〔37〕采用釀酒酵母菌在30℃下對墨西哥衣藻（Chlamydomonas mexicana）生物質(zhì)厭氧發(fā)酵3 d，并蒸餾去除發(fā)酵過程產(chǎn)生的乙醇，然后以發(fā)酵后的墨西哥衣藻生物質(zhì)（COD約730 mg/L）作為MFCs的陽極底物，獲得88.6 mW/m2的最大輸出功率和85%的COD去除率。為提高純菌分解藻類生物質(zhì)的能力，減少預(yù)處理的成本和工序，K.BAHARTAN等〔38〕通過基因工程對電活性酵母菌細胞進行基因修飾，使多糖消化酶過表達，將其加入MFCs陽極用于原位處理石莼藻（U.lactuca）生物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)投加基因修飾電活性酵母菌MFCs的最大輸出功率密度比未投加的提高了125%。與利用純菌預(yù)處理藻類生物質(zhì)相比，混菌往往具有更高的處理效率。X.A.WALTER等〔5〕利用混菌對108L-1的聚球藻（Synechococcus leopoliensis）進行160 h厭氧消化，作為MFCs陽極底物，最大輸出功率密度約為10 mW/m2。相較于其他預(yù)處理方法，生物預(yù)處理方法具有成本低、能耗低、操作條件溫和等特點，但處理效率較低，所需時間較長。

1.4 聯(lián)合處理方法

上述單一預(yù)處理方法有各自的局限性，如操作復(fù)雜、存在二次污染、效率低等，為進一步提高藻類生物質(zhì)預(yù)處理的效果，多種預(yù)處理技術(shù)聯(lián)合方法被人們廣泛采用。聯(lián)合預(yù)處理方法多將機械研磨、高溫和高壓等物理預(yù)處理方法與化學(xué)試劑或生物酶聯(lián)合使用，包括不同物理法聯(lián)用、物理法與化學(xué)法聯(lián)用、物理法與生物法聯(lián)用，這些聯(lián)用方法通常比單一方法更高效，但也更為復(fù)雜〔23〕。

物理法聯(lián)用一般將機械法、加熱法、超聲波法和微波法組合，以減小藻類生物質(zhì)的粒徑，破壞細胞結(jié)構(gòu)。機械研磨可減小藻類生物質(zhì)的粒徑，增加降解反應(yīng)的表面積，通常是先將藻類生物質(zhì)加熱干燥，降低含水率以獲得更大的脆性，進而提高后續(xù)機械研磨的效率。S.B.S.B.VELASQUEZ-ORTA等〔13〕對 小 球 藻（C.vulgaris）和石莼藻（U.lactuca）分別進行噴霧干燥和置于熱鼓中干燥，再機械研磨，以小球藻和石莼藻生物質(zhì)為陽極底物的MFCs的最大輸出功率密度分別高達980、760 mW/m2，COD去除率分別達60%、73%。超聲波預(yù)處理能夠破壞藻細胞壁，使胞內(nèi)基質(zhì)流出，通過前置的加熱或機械處理能夠提高該過程的效率。F.NDAYISENGA等〔39〕利用MFCs降解小球藻生物質(zhì)時，先將小球藻冷凍干燥，再于98℃水浴中加熱2 h，最后高壓超聲處理破碎小球藻細胞壁，最大輸出功率密度和去除率分別為1 070 mW/m2、65.2%，與小分子乙酸為底物的商業(yè)MFCs非常接近。

物理法和化學(xué)法聯(lián)合預(yù)處理主要是通過高溫強化堿或酸處理的效果，增加細胞壁的分解程度，提高可溶性COD。藻類生物質(zhì)經(jīng)熱堿預(yù)處理后，細胞壁被嚴(yán)重破壞，溶液中溶解性COD、碳水化合物和蛋白質(zhì)含量分別提高10.3、12.3、4.8倍〔40〕，而碳水化合物和蛋白質(zhì)含量是影響藻類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的 主 要 因 素〔23〕。Juan ZHAO等〔41〕探 究 沉 積 物 型MFCs降解一種藍藻（Cyanobacteria）生物質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，該種藍藻生物質(zhì)經(jīng)90℃NaOH溶液和厭氧酸性發(fā)酵預(yù)處理后，MFCs的最大輸出功率密度和COD去除率分別提高224%、79%。藻類生物質(zhì)經(jīng)熱酸預(yù)處理后，細胞壁同樣被嚴(yán)重破壞，但溶液中僅碳水化合物含量增加，蛋白質(zhì)含量幾乎不變〔23〕，因此，熱酸處理后的藻類生物質(zhì)通常不再進行厭氧發(fā)酵處理。以滸苔（Enteromorpha prolifera）和斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）生物質(zhì)為底物的MFCs中，這些藻類生物質(zhì)經(jīng)熱酸水解預(yù)處理后直接用于降解產(chǎn) 電〔3，14，42〕。

物理法和生物法聯(lián)合預(yù)處理通過機械法減小藻類生物質(zhì)的粒徑，增加生物反應(yīng)的比表面積，提高生物預(yù)處理的效率。用生物酶法處理蠕蟲叉紅藻（F.lum?bricalis）、墨角藻（F.vesiculosus）和一種絲狀紅藻生物質(zhì)時，先用機械法對這些藻類生物質(zhì)進行預(yù)處理，可使溶液中可溶性COD分別提高100%、24%、169%〔11〕。在以掌狀褐藻（L.digitata）為底物的MFCs中，掌狀褐藻生物質(zhì)先經(jīng)50℃干燥和機械切割研磨處理，再用纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和藻酸鹽裂解酶水解48 h，可獲得42.7 g/L的葡萄糖和15.7 g/L的甘露醇，最后用MFCs降解總COD為2 g/L的掌狀褐藻生物質(zhì)預(yù)處理溶液，COD去除率可達95%〔12〕。MFCs降解藻類生物質(zhì)所用預(yù)處理方法如表1所示。

表1 MFCs降解藻類生物質(zhì)使用的預(yù)處理方法Table 1 Pretreatment methods used for algae biomass degradation in MFCs

2 能耗和經(jīng)濟性對比

藻類生物質(zhì)的預(yù)處理對提高MFCs降解藻類生物質(zhì)的效能至關(guān)重要。但預(yù)處理過程需消耗大量能量或投加昂貴的試劑，增加了MFCs降解藻類生物質(zhì)的成本。為了平衡預(yù)處理的效果和成本，需綜合評估不同預(yù)處理方法的能耗和經(jīng)濟性。

物理預(yù)處理法通常是高能量投入的過程，專用設(shè)備的高成本和高電能消耗會增加成本〔43〕。加熱預(yù)處理過程簡單，運行中的能耗隨反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間而變化〔44〕。微波預(yù)處理能將電能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，并均勻分散到藻類生物質(zhì)中，考慮到較高的輻射功率和必要的延長處理時間，此過程仍需大量的能量輸入〔23〕。同樣地，超聲波預(yù)處理需要205～900 kJ/L的高能量輸入和較長的處理時間〔45〕?？傮w來說，物理預(yù)處理方法處理速率較高，但能源利用效率較低〔30〕。

化學(xué)預(yù)處理法通常無需能量輸入，耗能較低，但預(yù)處理過程中需使用特定的反應(yīng)器和大量化學(xué)試劑，成本較高〔46〕。預(yù)處理過程使用的化學(xué)試劑通常具有腐蝕性，為增加藻類生物質(zhì)的溶解性，需要較高的濃度，會加速反應(yīng)器的腐蝕，從而增加預(yù)處理過程的操作和維護成本〔47〕。

生物預(yù)處理法與化學(xué)預(yù)處理法類似，耗能較低，但需使用專用的水解酶和微生物〔48〕。由于商業(yè)酶價格昂貴，成本是酶法預(yù)處理的一大挑戰(zhàn)，也是其大規(guī)模開發(fā)利用面臨的主要障礙〔49〕。以微生物細胞為生物催化劑預(yù)處理藻類生物質(zhì)可降低成本，但處理過程耗時較長，一般需10～14 d，預(yù)處理速率較低。此外，生物預(yù)處理通常需要較大的空間，增加了成本。

3 耦合新型MFCs系統(tǒng)

為了簡化藻類生物質(zhì)預(yù)處理到MFCs降解的整個過程，需將預(yù)處理過程與MFCs降解過程耦合，開發(fā)集成化或緊湊型降解藻類生物質(zhì)的MFCs系統(tǒng)。

省略藻類生物質(zhì)的濃縮、干燥和機械研磨等步驟，直接對含藻溶液進行預(yù)處理，并將預(yù)處理裝置與MFCs陽極串聯(lián)，可形成一個集成系統(tǒng)。S.MONASTERIO等〔50〕將小球藻（C.vulgaris）生物質(zhì)電解預(yù)處理單元與多級串聯(lián)單室空氣陰極MFCs集成（見圖1），在25 A/m2的電流密度下電解小球藻，釋放胞內(nèi)基質(zhì)，溶液COD由42 mg/L增至93 mg/L；電解液進入串聯(lián)MFCs后，獲得最大4.1 W/m3的輸出功率，且多級串聯(lián)MFCs產(chǎn)生的電能可抵消電解預(yù)處理20%的成本。類似地，X.A.WALTER等〔5〕集成了聚球藻（S.leopoliensis）培養(yǎng)單元、厭氧消化預(yù)處理單元和多級串聯(lián)MFCs（見圖2），利用聚球藻培養(yǎng)單元固定二氧化碳生產(chǎn)生物質(zhì)，然后在厭氧消化單元將藻類生物質(zhì)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸，預(yù)處理后的藻類生物質(zhì)消化液被泵入MFCs系統(tǒng)，最大輸出功率為10 mW/m2。這些集成化藻類生物質(zhì)MFCs系統(tǒng)的輸出功率通常較低，原因在于預(yù)處理過程省略了藻類生物質(zhì)的濃縮步驟，致使進入陽極的藻類生物質(zhì)濃度很低。

圖1 藻類生物質(zhì)電化學(xué)預(yù)處理和多級MFCs降解串聯(lián)系統(tǒng)Fig.1 Algal biomass electrochemical pretreatment and multi-stage MFCs degradation

圖2 藻類生物質(zhì)厭氧生物預(yù)處理和多級MFCs降解集成系統(tǒng)Fig.2 Integrated system for anaerobic biological pretreatment of algal biomass and multi-stage MFCs degradation

將藻類生物質(zhì)的預(yù)處理過程與MFCs系統(tǒng)的陽極或陰極耦合，可形成緊湊型降解藻類生物質(zhì)的MFCs系 統(tǒng)。K.BAHARTAN等〔38〕通 過 基 因 修 飾 改造電活性酵母菌，并將改造后的電活性酵母菌加入MFCs陽極，使藻類生物質(zhì)的預(yù)處理過程與陽極耦合；加入石莼藻（U.lactuca）生物質(zhì)后，最大輸出功率密度為18 mW/m2，顯著高于未投加改造電活性酵母菌的功率密度（8 mW/m2）。與陽極耦合不同，M.J.SALAR-GARCíA等〔51〕在藻類生物質(zhì)進入MFCs陽極前，用陰極原位產(chǎn)生的堿強化藻類生物質(zhì)的消化，將預(yù)處理過程與陰極耦合。藻類生物質(zhì)經(jīng)陰極堿液強化預(yù)處理后，與未經(jīng)強化處理MFCs相比，輸出功率增幅高達529%。

4 總結(jié)與展望

藻類生物質(zhì)預(yù)處理是提高MFCs降解藻類生物質(zhì)效能的必要步驟。用于藻類生物質(zhì)MFCs的單一預(yù)處理方法較少，通常為多種方法聯(lián)合使用。其中，物理方法應(yīng)用最廣泛，一般作為其他預(yù)處理方法的前置步驟；機械法多用于減小藻類生物質(zhì)的粒徑，增大反應(yīng)比表面積；加熱法多用于提高化學(xué)或生物處理的效率。物理預(yù)處理方法耗能高，化學(xué)預(yù)處理方法耗能較低但試劑成本高，生物預(yù)處理方法耗能和成本均較低，但處理速率較慢。

目前，利用MFCs降解藻類生物質(zhì)的研究大多停留在證明預(yù)處理后藻類生物質(zhì)作為陽極底物的可行性，關(guān)于不同預(yù)處理方法對MFCs降解藻類生物質(zhì)效能的影響的研究極少。廣泛應(yīng)用的化學(xué)和生物藻類生物質(zhì)預(yù)處理方法成本高且效率低，不利于MFCs降解藻類生物質(zhì)的推廣應(yīng)用，亟需開發(fā)適于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的高效低成本的化學(xué)處理劑、生物酶和工程菌。另外，這些預(yù)處理步驟主要在降解步驟前單獨進行，導(dǎo)致整個過程操作復(fù)雜、成本高且占用較大空間。因此，耦合藻類生物質(zhì)預(yù)處理過程與降解過程，開發(fā)集成化或緊湊化MFCs系統(tǒng)將是今后的研究方向。