降解长链脂肪酸中的电子传递机理研究进展

郑耘滨

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

引言

废水中的长链脂肪酸(Long-Chain Fatty Acids,简称LCFAs)主要存在于含有动植物油脂的废水当中，如屠宰场废水、棕榈油厂废水[1]。如，硬脂酸便是一种常见的长链脂肪酸，其结构式为C18H36O2，其在牛油中占20%，在棕榈油中占4.8%，占动物脂肪73.5%[2]。长链脂肪酸有着很高的产甲烷潜力，厌氧消化(Anaerobic Digestion，简称AD)通常用于处理富含油脂的废水，常用的反应器类型有上流式厌氧污泥床(Up-flow Anaerobic Sludge Bed，简称UASB)和膨胀颗粒污泥床(Expanded Granular Sludge Bed，简称EGSB)[3]。然而，具有长碳链的长链脂肪酸在产酸阶段会生成大量挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids，简称VFAs)。VFAs的积累会导致反应器酸化，使厌氧消化过程难以进行。长链脂肪酸对产甲烷菌有明显的毒性作用，抑制了产甲烷菌的活性，是导致VFAs积累的主要原因之一。因此，油脂废水中长链脂肪酸的降解也是废水处理领域的难题。近几年，针对油脂降解过程中造成的反应器酸化问题提出了许多解决方案，如添加膨润土和各种导电材料。其中，添加各种导电材料的原理便是利用其良好的导电性能强化微生物间的种间电子传递，而在这过程中种间电子传递中的直接电子传递是主要的作用机理，直接电子传递作为近2a新型课题是一个值得深入研究的方面，在促进厌氧消化过程。

1 长链脂肪酸的降解

1.1 厌氧消化的2个阶段

厌氧消化处理中长链脂肪酸来自于废水中的油脂，油脂会先被转化为长链脂肪酸和甘油。其中，甘油被进一步降解生成醇和VFAs；而长链脂肪酸主要经历了2个阶段，产酸发酵阶段和产甲烷阶段。在产酸发酵阶段，长链脂肪酸通过β-氧化被分解为短链脂肪酸(如乙酸)和氢气，乙酸和氢气在产甲烷阶段在氢营养型产甲烷菌和乙酸型产甲烷菌的作用下被转化为二氧化碳、甲烷和水[4]。

1.2 产酸菌与产甲烷菌的协同作用

厌氧消化降解长链脂肪酸中的热力学变化是一个值得关注的过程。从热力学的角度来看，长链脂肪酸在产酸阶段发生的β-氧化是一种难以自发进行的反应，需要热力学上的有利条件(DG0’<0，DG0为标准状况下反应吉布斯自由能的变化)。不同的长链脂肪酸在厌氧消化中的能量变化也不相同。以硬脂酸为例，厌氧消化降解硬脂酸中产乙酸和产甲烷反应的吉布斯自由能变化如表1所示，硬脂酸被降解为乙酸的反应在标准状况下吉布斯自由能DG0’>0，反应难以自发进行，容易受到热力学抑制，如表1所示。为了克服热力学上的不利条件，必须降低新形成的产物(乙酸盐和氢气)以保持有利于反应物(即长链脂肪酸)的浓度，保证β-氧化过程的顺利进行[5]。因此，长链脂肪酸降解产乙酸菌和产甲烷菌(即消耗释放的乙酸盐和氢气)之间的协同作用对于长链脂肪酸被降解成甲烷和二氧化碳至关重要。产酸阶段的氧化反应需要维持较低的氢分压，才能保证厌氧消化过程的顺利进行[6]。相比之下，消耗氢气和乙酸产生甲烷的过程是一个可以自发的过程(DG0’<0)。因此，氢营养型产甲烷菌和乙酸型产甲烷菌消耗产酸阶段产生的氢气和乙酸，可以使产酸阶段保持较低的氢气分压，为产酸发酵阶段提供可行的热力学条件[7]。所以厌氧消化过程的顺利进行需要依靠产乙酸菌和产甲烷菌之间的协同作用。当废水中长链脂肪酸的浓度过高时，会抑制产甲烷菌的活性，也会抑制长链脂肪酸的降解。

表1 厌氧消化降解硬脂酸中产乙酸和产甲烷反应的吉布斯自由能变化[8]

2 微生物的种间电子传递

厌氧消化过程中产酸菌和产甲烷菌的协同作用主要是通过微生物的种间电子传递实现。微生物种间电子传递形式主要分为2类：间接电子传递(Mediated Interspecies Electron Transfer，简称MIET)和无需电子载体的直接电子传递(Direct Interspecies Electron Transfer,DIET)[9]，前者甲酸和氢气作为电子载体，而后者的电子传递过程是通过菌毛和细胞色素c实现的，不需要电子载体。MIET利用产酸阶段产生的氢气和甲酸盐作为电子载体来实现电子传递，以氢气作为载体的间接电子传递方式被称为种间氢传递(Interspecies H2Transfer,简称IHT)传递。在过去很长一段时间里，IHT被认为是微生物物种之间电子传递的形式。这种情况持续到2010年，Sunmmer等通过Geobacter metallireducens和Geobacter sulfurreducens在厌氧消化过程中的协同交换电子，发现在缺乏氢气作为载体的突变体之间存在一种利用菌毛和细胞色素c直接进行电子传递的方式[10]，即直接电子传递。在此过程中，甲烷的产量也有了明显的提升。随后的研究表明，在此过程中，菌毛可以充当DIET中电子传输的导电性能良好的纳米导线，但在厌氧消化中MIET仍然是主要的电子传递方式。

电子传递对产酸菌和产甲烷菌的协同作用有着很大影响。与MIET相比，DIET不受热力学限制，似乎是在厌氧消化中交换电子的更有效手段，但DIET受到细菌菌毛和氧化还原辅因子(主要是细胞色素c)的限制，因为微生物在合成菌毛和细胞色素c时需要消耗大量的能量，这对于电子传递速率有着很大的限制。当长链脂肪酸的浓度过高时，产甲烷菌的活性受到抑制，以氢气和甲酸作为载体的MIET也会受到限制。Bastone等在2016年的研究中，用丙酸作为底物模拟了产酸菌和产甲烷菌之间的种间电子转移效率，并通过实验数据加以验证。结果表明，在这过程中直接电子转移的能量损失高达97%[11]。若不采取强化手段，直接电子传递效率并不高。可以通过增强DIET的电子传递速率，能够使得DIET取代MIET成为厌氧消化中主要电子传递方式，在产酸阶段便不受热力学限制，从而加速长链脂肪酸的降解。

3 强化直接电子传递的方法

种间电子传递与产酸菌和产甲烷菌之间的接触方式有着很大联系。增大二者接触的其中一种方式便是通过添加带有吸附性且导电性良好的物质，通过吸附作用使微生物形成聚集体。这在某些特定的厌氧消化器中是可以实现的，如UASB。目前，关于厌氧消化反应器中增强DIET的研究主要为添加导电非生物材料，如颗粒活性炭(Granular Activated Carbon,简称GAC)、生物炭、碳布、石墨、磁铁矿等。这些研究的结果表明，导电材料可以充当纳米线，用于在微生物间直接交换电子。

3.1 颗粒活性炭

颗粒活性炭(Granular Activated Carbon,简称GAC)作为一种吸附性很强的物质，由于其表面积较大和良好的导电性，在微生物电化学研究中可起到电极的作用。厌氧微生物吸附在GAC上表面形成聚集体，而且长链脂肪酸也会被GAC吸附。如，添加GAC成功地在缺乏菌毛的Geobacter metallireducen和Methanosarcina bakeri的共培养中建立了DIET[12]。微生物可以直接进行电子交换过程，可以有效减轻菌毛和细胞色素c所起的作用。有观点认为，在微生物中合成菌毛和细胞色素c需要大量的能量，而使用GAC可以降低微生物的能量消耗。目前，GAC已被广泛应用于各种连续式和间歇式厌氧反应器当中。Lee等在2016年的研究中，在连续式厌氧消化反应器当中添加了GAC后，甲烷产量增加到1.8倍，且附着在GAC上的生物质的甲烷产量是悬浮生物质的3.7倍[12]。

3.2 生物炭

生物炭的作用类似于GAC，都因为吸附性较强被用作增强DIET的材料。由于其低廉的成本而被用作GAC的替代品。生物质的制备主要是利用一些生物质通过高温燃烧的方式得到。Shen在2016年的研究和Luo等在2015年的研究中，都曾通过添加生物炭的方式，来减轻酸对于厌氧消化过程的抑制作用[14,15]。有研究表明，添加了活性炭能够使电子回收率高达76%[16]。

3.3 导电碳布

相比颗粒活性炭和生物炭，导电碳布近2a被认为是一种极具潜力的微生物电化学的导电材料。关于碳布对DIET的作用目前的研究并不太多，碳布首次被应用在增强DIET的研究是在2014年，Chen等通过在厌氧消化工程中添加碳布来研究DIET动力学[17]，其发现加入具有导电性的碳布后，缺乏菌毛和细胞色素c的Geobacter菌株可以促进与Methanosarcina barkeri的电子交换。在3种导电碳材料(碳布、石墨棒和生物炭)中，碳布在使用混合培养将乙醇转化为甲烷的过程中表现出优异的COD去除性能。并且所有导电材料在不同的水力停留时间(Hydraulic Retention Time，简称HRT)下的甲烷产量要高出30%～45%。

4 结论与展望

微生物间的直接电子传递是近2a关于电子传递机理的新发现。目前关于厌氧消化降解长链脂肪酸的直接电子传递机理的研究并不太多，仍有待学者们挖掘。在现阶段的研究当中，已经确定了添加导电材料可以增强微生物的电子传递，其能够使产酸菌和产甲烷菌之间实现基于DIET的协同作用，但关于材料的电导率和表面积对于DIET的影响以及这当中的动力学研究目前仍没有定论，但可以确定的是导电材料的特性在增强DIET中起了很大作用。因此，应在现有的基础上继续研究DIET在厌氧消化中的作用，继续完善厌氧消化中增强DIET的相关研究。