电化学厌氧消化中挥发性脂肪酸和微生物群落变化*

刘洪周，陈铁柱，王楠，付伟涛，齐全，洪明，李建昌

(云南师范大学，云南 昆明 650500)

1 引言

电化学厌氧消化(Electrochemical Anaerobic Digestion，EAD)的本质是电解辅助厌氧消化，从而强化氢气还原二氧化碳途径以提高常规厌氧消化(Regular Anaerobic Digestion，RAD)过程中的甲烷转化率，它在处理有机废弃物的同时可获得清洁沼气[1-2].已有研究表明，挥发性脂肪酸(Volatile fatty acid,VFA)和微生物群落是决定厌氧消化产沼气的关键[3-4]，因此本文以葡萄糖为底物，采用批量发酵方法，研究EAD中VFAs和微生物群落相对RAD的变化，为进一步理解EAD的消化过程提供实验支持.

2 材料与方法

2.1 接种物

接种物为云南师范大学厌氧发酵实验室驯化的厌氧污泥，经测定pH值为6.91，总固体物(Total solids,TS)含量为14.82%，挥发性固体物(Volatile solids,VS)含量为9.14%.

2.2 实验装置

反应器为单室结构，构造如图1所示，RAD系统由集气单元和发酵单元构成，EAD系统由电化学单元、集气单元和发酵单元构成.EAD阳极为石墨电极(30 mm×30 mm×2 mm)，阴极为纯铂电极(30 mm×30 mm×0.2 mm)，两电极对称放置并浸没在发酵液中，电极间距为30 mm.

2.3 实验设计

RAD为对照组，EAD为实验组，一式3份运行.每组发酵液的配制参考文献[5]，并通入氮气排除反应器顶部的空气.实验在30 ℃恒温磁力搅拌器中连续运行25 d.当pH值恢复到7.0以上时进行投料，每次投入葡萄糖粉末1.0 g.EAD中电化学单元施加的电压为1.0 V.

2.4 分析方法

VFA检测：由气相色谱仪检测(福立，浙江)VFA的含量，具体测量方法见文献[6].所检测的VFA为乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸[7].

pH值测试：pH值采用pH计(PHS-3C)测量，采样间隔为24 h.

图1 (a)RAD和(b)EAD实验装置Fig.1 (a)RAD and (b)EAD experimental devices

微生物多样性和相对丰度测定：从RAD和EAD体系中分别取出微生物样品保存于-80 ℃环境中，样品委托诺禾致源基因公司(天津)进行高通量测序及数据处理.以97%的一致性进行OTU聚类，采用OTU数衡量微生物多样性，对OTU的序列进行物种注释以计算物种相对丰度.

微生物活性观测：采用活/死BacLight细菌活性试剂盒(L34856)将本体溶液和EAD阳极生物膜染色20 min，用缓冲溶液漂洗两次(本体溶液不漂洗)后在共聚焦激光扫描显微镜(LSM880)中成像，荧光在488 nm激光谱线下激发，细胞膜完整的微生物发出绿色荧光.

采用扫描电镜(NOVA NANOSEM 430，FEI)对EAD阳极表面的生物膜形貌成像.

3 实验结果与讨论3.1 pH值及VFA的变化

pH值随时间的变化如图2所示，pH值的变化均呈“锯齿状”波动，根据厌氧消化三阶段理论(水解、产氢产乙酸和产甲烷)[8]，pH值降低是由葡萄糖水解产酸引起VFAs累积导致，在产甲烷阶段产氢产乙酸菌和产甲烷菌协同降解VFAs，此时VFAs含量降低而pH值升高.在实验周期内，EAD共补料10次，RAD共补料5次.

图2 pH值随时间变化Fig.2 Changes of pH value with time

系统运行期间VFAs的平均含量如表1所示，EAD中乙酸、丙酸和异丁酸的平均含量明显比RAD中的低.

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

3.2 微生物群落的变化

OTU数和电活性微生物平均相对丰度如表2所示，发酵液的OTU数相差不大，但RAD发酵液中电活性微生物的相对丰度是EAD的近2倍，EAD阳极表面的OTU数明显高于RAD发酵液和EAD发酵液，EAD阳极膜中电活性微生物的相对丰度为RAD发酵液和EAD发酵液的2倍和3.8倍，表明电解的引入改变了RAD体系的微生物群落结构，使得大量的电活性微生物富集在阳极表面.

表2 OTU数和电活性微生物的平均相对丰度Table 2 OTU numbers and average relative abundance of electroactive microorganisms

实验进一步考察微生物的形貌.共聚焦激光扫描显微镜结果图3(a)所示，EAD阳极生物膜和EAD发酵液中细胞膜完整的微生物密度明显高于RAD发酵液，说明电解促进EAD中微生物的繁殖.扫描电镜结果如图3(b)所示，大量的球菌嵌入阳极表面的胞外聚合物基质中，由于胞外聚合物的保护作用，细胞结构完整，且有一定孔隙率，使得有机物能更好地渗入生物膜内部，有利于电活性微生物代谢有机质.

图3 (a)共聚焦激光扫描显微镜图像和(b)EAD阳极生物膜的扫描电镜图像Fig.3 (a)Confocal laser scanning microscope image and (b)SEM image of EAD anode biofilm

综上，与RAD相比，电解的引入促进了VFAs的转化，并提高了EAD中微生物的多样性和电活性微生物在EAD阳极表面的富集；这是因为EAD中阳极接电源正极，阳极较高的电势将吸附带负电的电活性微生物富集在阳极表面，同时VFAs是电活性微生物生长代谢的原料[9]，因此引入电解能促进VFAs转化.此外，由于外电源对EAD施加了恒定的电解电压，在一定程度上能够维持EAD系统中的电势环境，在该环境中电活性微生物的生长繁殖速度及代谢活性得到改善[9-10]，进而增加了物种多样性和电活性微生物的相对丰度.

4 结语

EAD中乙酸、丙酸和异丁酸的平均含量明显比RAD中的低，总含量较RAD降低了29.4%，表明EAD促进了VFAs的转化.另外，EAD中物种多样性较RAD丰富，电解使得电活性微生物在阳极表面富集.