基于生物電化學(xué)調(diào)控的自養(yǎng)體系強(qiáng)化廢棄物向燃料轉(zhuǎn)化
 

　　John M. Pisciotta, Joe Mossman, Zehra Zaybak and William Schultz.
 

　　西切斯特大學(xué)生物學(xué)系
 

　　1.引言
 

　　光生物反應(yīng)器(PBR)正越來越多地被用于培養(yǎng)藻類，以生產(chǎn)生物燃料和其他產(chǎn)物。光照和二氧化碳是制約光生物反應(yīng)器中藻類生長的兩大主要限制條件。大氣中二氧化碳的含量僅為0.04%，為突破這一瓶頸，研究人員開始將有機(jī)廢棄物厭氧消化(AD)所產(chǎn)生的沼氣接入光生物反應(yīng)器，沼氣主要由二氧化碳和甲烷構(gòu)成。沼氣中的二氧化碳組分一般被視為不利雜質(zhì)，采用非生物手段去除該組分成本較高。但傳統(tǒng)中溫厭氧消化工藝反應(yīng)速率緩慢。近年相關(guān)研究證實(shí)，生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)能夠加快有機(jī)廢棄物厭氧分解生成沼氣的過程。該系統(tǒng)依靠陽極表面厭氧富集的產(chǎn)紅色色素的產(chǎn)電型地桿菌，以及與生物陰極共生、作用機(jī)制尚不明確的電活性產(chǎn)甲烷菌來實(shí)現(xiàn)上述效果。
 

　　2．研究目的
 

　　本研究將BlueSens二氧化碳、甲烷以及氧氣氣體傳感器集成到一套新型生物電化學(xué)系統(tǒng)供給型光生物反應(yīng)器裝置中，驗(yàn)證生物電化學(xué)產(chǎn)出的沼氣是否可用于藻類培養(yǎng)。若該方案可行，則有望實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的快速處理，同時(shí)利用光自養(yǎng)生物強(qiáng)化生長，對生物電化學(xué)產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化。這套集成氣體傳感器的裝置可對BES?PBR耦合系統(tǒng)內(nèi)部整體代謝活性開展實(shí)時(shí)表征。實(shí)驗(yàn)搭建兩套光生物反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行對照測試，對比普通厭氧消化沼氣與生物電化學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)出沼氣，在BG?11培養(yǎng)基中對普通小球藻生長情況的影響(圖1)。
 

　　圖1：配備BlueSens在線氧氣、二氧化碳、甲烷氣體傳感器的、由生物電化學(xué)系統(tǒng)沼氣供氣的光生物反應(yīng)器簡化原理示意圖
 

　　3 材料與方法
 

　　3.1 光生物反應(yīng)器
 

　　將兩個(gè)容積18.9升的長方形玻璃魚缸改造成沼氣供給式閉環(huán)光生物反應(yīng)器。每個(gè)魚缸頂部開口處，使用定制切割的玻璃板配合環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封。采用金剛石鉆頭在玻璃蓋板兩端鉆出0.5厘米的孔洞，氣體進(jìn)出硅膠管路穿過孔洞并做密封處理，防止氣體泄漏。進(jìn)氣管路連接固定于缸底的曝氣石，實(shí)現(xiàn)氣體均勻擴(kuò)散，并依靠氣泡對培養(yǎng)基進(jìn)行攪拌。氣泡上升至反應(yīng)器頂部氣腔后，通過出氣管路排出光生物反應(yīng)器，出氣管路接有密封在空心塑料儲液罐內(nèi)的氣泵。該泵組可使氣體在閉環(huán)光生物反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)循環(huán)。氣體重新進(jìn)入光生物反應(yīng)器之前，會經(jīng)由管路流過氧氣、二氧化碳、甲烷在線傳感器。每套光生物反應(yīng)器均設(shè)有沼氣輸送管路，接入泵前端的循環(huán)氣路，管路安裝單向閥。單向閥可避免氧氣進(jìn)入生物電化學(xué)系統(tǒng)或厭氧消化腔室，抑制內(nèi)部厭氧菌活性。處于對數(shù)生長期的普通小球藻接種至每套光生物反應(yīng)器的5升BG11培養(yǎng)基中，光照條件為12小時(shí)光照、12小時(shí)黑暗，初始光密度OD值為0.025(圖2)。
 

　　圖2：側(cè)視實(shí)拍圖，展示兩套裝有小球藻的光生物反應(yīng)器，左側(cè)通入生物電化學(xué)系統(tǒng)沼氣，右側(cè)通入?yún)捬跸託?。系統(tǒng)內(nèi)的泵、傳感器等部件，由側(cè)邊圖例中帶編號的箭頭進(jìn)行標(biāo)注。
 

　　3.2 厭氧消化罐與生物電化學(xué)反應(yīng)器
 

　　搭建三組氣體連通的厭氧消化裝置，采用100?mL血清瓶，瓶內(nèi)裝入75?mL合成廢水；合成廢水組成為50?mM磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)，添加1?g/L乙酸鈉，同時(shí)補(bǔ)充沃爾夫維生素與礦物質(zhì)。所有血清瓶通入氮?dú)獬?，壓蓋密封，再接入0.5?mL接種污泥，接種源為已運(yùn)行5周、以乙酸鹽為底物的產(chǎn)沼氣消化罐。
 

　　三組厭氧消化罐的頂部氣室，通過刺穿橡膠塞的針頭與管路互相連通。沼氣自身產(chǎn)生的壓力，推動沼氣經(jīng)過單向閥，再進(jìn)入光生物反應(yīng)器的循環(huán)氣路。
 

　　同樣制備三組生物電化學(xué)反應(yīng)器，每個(gè)血清瓶內(nèi)置兩根10?cm電極，使用Biologic MPG2電化學(xué)工作站施加0.7?V電壓，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測電流，電流可表征生物電化學(xué)活性與乙酸鹽消耗情況。使用分光光度計(jì)在600?nm波長下定期測定菌體光密度。
 

　　4 結(jié)果與結(jié)論
 

　　BlueSens在線甲烷傳感器檢測結(jié)果表明：相較于傳統(tǒng)厭氧消化對照反應(yīng)器，生物電化學(xué)光生物反應(yīng)器體系的氣室中甲烷積累速度明顯更快(圖3A)。三套生物電化學(xué)反應(yīng)器的恒電位儀電流均在4天內(nèi)達(dá)到峰值，說明乙酸鹽被快速分解代謝(圖3B)。
 

　　兩套普通小球藻培養(yǎng)體系，在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)光密度均高于初始接種基線(0.025)，證明兩套光生物反應(yīng)器內(nèi)BG11培養(yǎng)基中藻類均實(shí)現(xiàn)生長(圖4A)。厭氧消化對照組光生物反應(yīng)器前期生長速率更快，但生物電化學(xué)耦合光生物反應(yīng)器最終菌體密度更高。氧氣傳感器數(shù)據(jù)同時(shí)表明，生物電化學(xué)耦合光生物反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)后期藻類光合作用水平更高(圖4B)。
 

　　兩套反應(yīng)器的二氧化碳濃度均維持在接近檢測基線的水平；這很可能是由于反應(yīng)器頂部氣腔容積較大，同時(shí)藻類培養(yǎng)體系光合作用消耗二氧化碳所致。
 

　　增大生物電化學(xué)反應(yīng)器與厭氧消化罐相對于光生物反應(yīng)器培養(yǎng)體積的容積，有望進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率。上述結(jié)果表明，將BlueSens傳感器與光生物反應(yīng)器聯(lián)用，可利用太陽能、經(jīng)生物電化學(xué)處理的有機(jī)廢棄物這類可再生資源，實(shí)現(xiàn)生物燃料生產(chǎn)過程的優(yōu)化。
 

　　圖3：光生物反應(yīng)器內(nèi)甲烷累積與二氧化碳消耗情況(A)；耦合生物電化學(xué)光生物反應(yīng)器的三組平行生物電化學(xué)反應(yīng)器的電流輸出(B)
 

　　圖4：光生物反應(yīng)器內(nèi)普通小球藻的菌體光密度(A)，以及光生物反應(yīng)器中持續(xù)檢測到的氧氣(B)
 

　　參考文獻(xiàn)
 

　　Booth B. 2009. Electromethanogenesis: the direct bioconversion of current to methane. Environ Sci Technol. 43(13):4619.
 

　　Cheng S, Xing D, Call DF, Logan BE. 2009. Direct biological conversion of electrical current into methane by electromethanogenesis. Environ Sci Technol. 43(10):39538.
 

　　Pisciotta JM, Zaybak Z, Call DF, Nam JY, Logan BE. 2012. Enrichment of microbial electrolysis cell (MEC) biocathodes from sediment microbial fuel cell (sMFC) bioanodes. Appl Environ Microbiol. 2012 Aug;78(15):52129.
 

　　Zaybak Z, Pisciotta JM, Tokash JC, Logan BE. 2013. Enhanced startup of anaerobic facultatively autotrophic biocathodes in bioelectrochemical systems. J Biotechnol. In press. doi:pii: S01681656(13)004252.
 

　　致謝
 

　　感謝BlueSens為本研究提供傳感器；感謝西切斯特大學(xué)文理學(xué)院為本光生物反應(yīng)器搭建提供經(jīng)費(fèi)支持。
 

　　實(shí)驗(yàn)室簡介
 

　　西切斯特大學(xué)Pisciotta實(shí)驗(yàn)室致力于開發(fā)微生物體系，將廢棄物轉(zhuǎn)化為生物燃料與高附加值產(chǎn)物。當(dāng)前研究方向：利用生物陰強(qiáng)化微生物固碳，以及本文所述的微生物電解池耦合光生物反應(yīng)器等新型系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)室所用儀器與技術(shù)：恒電位儀、生物電化學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)顯微、HPLC、氣相色譜、質(zhì)譜、分光光度法、分子生物學(xué)、微生物培養(yǎng)技術(shù)。 其他項(xiàng)目：微流控診斷技術(shù)(瘧疾等傳染病)，面向發(fā)展中國家的低成本水處理設(shè)備。
 

　　項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)
 

　　項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從左至右：學(xué)生William Schultz、Zehra Zaybak、Joseph Mossman，助理教授John M. Pisciotta博士。Dana Charitonchick負(fù)責(zé)菌種保藏及項(xiàng)目后勤保障。