劉洪周，陳鐵柱，王楠，付偉濤，齊全，洪明，李建昌

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500)

1 引言

電化學(xué)厭氧消化(Electrochemical Anaerobic Digestion，EAD)的本質(zhì)是電解輔助厭氧消化，從而強(qiáng)化氫氣還原二氧化碳途徑以提高常規(guī)厭氧消化(Regular Anaerobic Digestion，RAD)過程中的甲烷轉(zhuǎn)化率，它在處理有機(jī)廢棄物的同時可獲得清潔沼氣[1-2].已有研究表明，揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acid,VFA)和微生物群落是決定厭氧消化產(chǎn)沼氣的關(guān)鍵[3-4]，因此本文以葡萄糖為底物，采用批量發(fā)酵方法，研究EAD中VFAs和微生物群落相對RAD的變化，為進(jìn)一步理解EAD的消化過程提供實驗支持.

2 材料與方法

2.1 接種物

接種物為云南師范大學(xué)厭氧發(fā)酵實驗室馴化的厭氧污泥，經(jīng)測定pH值為6.91，總固體物(Total solids,TS)含量為14.82%，揮發(fā)性固體物(Volatile solids,VS)含量為9.14%.

2.2 實驗裝置

反應(yīng)器為單室結(jié)構(gòu)，構(gòu)造如圖1所示，RAD系統(tǒng)由集氣單元和發(fā)酵單元構(gòu)成，EAD系統(tǒng)由電化學(xué)單元、集氣單元和發(fā)酵單元構(gòu)成.EAD陽極為石墨電極(30 mm×30 mm×2 mm)，陰極為純鉑電極(30 mm×30 mm×0.2 mm)，兩電極對稱放置并浸沒在發(fā)酵液中，電極間距為30 mm.

2.3 實驗設(shè)計

RAD為對照組，EAD為實驗組，一式3份運(yùn)行.每組發(fā)酵液的配制參考文獻(xiàn)[5]，并通入氮氣排除反應(yīng)器頂部的空氣.實驗在30 ℃恒溫磁力攪拌器中連續(xù)運(yùn)行25 d.當(dāng)pH值恢復(fù)到7.0以上時進(jìn)行投料，每次投入葡萄糖粉末1.0 g.EAD中電化學(xué)單元施加的電壓為1.0 V.

2.4 分析方法

VFA檢測：由氣相色譜儀檢測(福立，浙江)VFA的含量，具體測量方法見文獻(xiàn)[6].所檢測的VFA為乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸和異戊酸[7].

pH值測試：pH值采用pH計(PHS-3C)測量，采樣間隔為24 h.

圖1 (a)RAD和(b)EAD實驗裝置Fig.1 (a)RAD and (b)EAD experimental devices

微生物多樣性和相對豐度測定：從RAD和EAD體系中分別取出微生物樣品保存于-80 ℃環(huán)境中，樣品委托諾禾致源基因公司(天津)進(jìn)行高通量測序及數(shù)據(jù)處理.以97%的一致性進(jìn)行OTU聚類，采用OTU數(shù)衡量微生物多樣性，對OTU的序列進(jìn)行物種注釋以計算物種相對豐度.

微生物活性觀測：采用活/死BacLight細(xì)菌活性試劑盒(L34856)將本體溶液和EAD陽極生物膜染色20 min，用緩沖溶液漂洗兩次(本體溶液不漂洗)后在共聚焦激光掃描顯微鏡(LSM880)中成像，熒光在488 nm激光譜線下激發(fā)，細(xì)胞膜完整的微生物發(fā)出綠色熒光.

采用掃描電鏡(NOVA NANOSEM 430，F(xiàn)EI)對EAD陽極表面的生物膜形貌成像.

3 實驗結(jié)果與討論3.1 pH值及VFA的變化

pH值隨時間的變化如圖2所示，pH值的變化均呈“鋸齒狀”波動，根據(jù)厭氧消化三階段理論(水解、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷)[8]，pH值降低是由葡萄糖水解產(chǎn)酸引起VFAs累積導(dǎo)致，在產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌協(xié)同降解VFAs，此時VFAs含量降低而pH值升高.在實驗周期內(nèi)，EAD共補(bǔ)料10次，RAD共補(bǔ)料5次.

圖2 pH值隨時間變化Fig.2 Changes of pH value with time

系統(tǒng)運(yùn)行期間VFAs的平均含量如表1所示，EAD中乙酸、丙酸和異丁酸的平均含量明顯比RAD中的低.

表1 VFAs的平均含量Table 1 Average content of VFAs

3.2 微生物群落的變化

OTU數(shù)和電活性微生物平均相對豐度如表2所示，發(fā)酵液的OTU數(shù)相差不大，但RAD發(fā)酵液中電活性微生物的相對豐度是EAD的近2倍，EAD陽極表面的OTU數(shù)明顯高于RAD發(fā)酵液和EAD發(fā)酵液，EAD陽極膜中電活性微生物的相對豐度為RAD發(fā)酵液和EAD發(fā)酵液的2倍和3.8倍，表明電解的引入改變了RAD體系的微生物群落結(jié)構(gòu)，使得大量的電活性微生物富集在陽極表面.

表2 OTU數(shù)和電活性微生物的平均相對豐度Table 2 OTU numbers and average relative abundance of electroactive microorganisms

實驗進(jìn)一步考察微生物的形貌.共聚焦激光掃描顯微鏡結(jié)果圖3(a)所示，EAD陽極生物膜和EAD發(fā)酵液中細(xì)胞膜完整的微生物密度明顯高于RAD發(fā)酵液，說明電解促進(jìn)EAD中微生物的繁殖.掃描電鏡結(jié)果如圖3(b)所示，大量的球菌嵌入陽極表面的胞外聚合物基質(zhì)中，由于胞外聚合物的保護(hù)作用，細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整，且有一定孔隙率，使得有機(jī)物能更好地滲入生物膜內(nèi)部，有利于電活性微生物代謝有機(jī)質(zhì).

圖3 (a)共聚焦激光掃描顯微鏡圖像和(b)EAD陽極生物膜的掃描電鏡圖像Fig.3 (a)Confocal laser scanning microscope image and (b)SEM image of EAD anode biofilm

綜上，與RAD相比，電解的引入促進(jìn)了VFAs的轉(zhuǎn)化，并提高了EAD中微生物的多樣性和電活性微生物在EAD陽極表面的富集；這是因為EAD中陽極接電源正極，陽極較高的電勢將吸附帶負(fù)電的電活性微生物富集在陽極表面，同時VFAs是電活性微生物生長代謝的原料[9]，因此引入電解能促進(jìn)VFAs轉(zhuǎn)化.此外，由于外電源對EAD施加了恒定的電解電壓，在一定程度上能夠維持EAD系統(tǒng)中的電勢環(huán)境，在該環(huán)境中電活性微生物的生長繁殖速度及代謝活性得到改善[9-10]，進(jìn)而增加了物種多樣性和電活性微生物的相對豐度.

4 結(jié)語

EAD中乙酸、丙酸和異丁酸的平均含量明顯比RAD中的低，總含量較RAD降低了29.4%，表明EAD促進(jìn)了VFAs的轉(zhuǎn)化.另外，EAD中物種多樣性較RAD豐富，電解使得電活性微生物在陽極表面富集.