微生物电解池强化生物质暗发酵制氢的过程机理研究

生物转化制氢是解决纤维素类生物质能量转化和环境问题的有效途径之一。暗发酵因具有产氢速率高、可利用底物广等特点，是研究最广泛的生物制氢方法。相对于暗发酵，基于微生物燃料电池（MFC）概念的微生物电解池（MEC）因具有氢气转化率高的优点，近年来在生物转化制氢研究中备受青睐。针对暗发酵氢气转化率低等问题，本项目拟结合暗发酵和MEC途径，探索不加外电源的MFC-MEC与联合生物加工工艺（CBP）耦合制氢的方法。首先构建具有纤维素降解和发酵产氢功能的CBP体系，建立CBP发酵液驱动的MFC；在此基础上构建MFC-MEC/CBP制氢体系，解析MFC-MEC的电子/质子传递机理，揭示其对暗发酵和MEC两种制氢途径的影响规律；最后，从分子水平解析体系内纤维素降解菌、产氢菌、产电菌间的作用关系。本项目将为生物电化学法强化生物质暗发酵制氢提供科学依据，具有重要的理论意义和应用价值。

生物转化制氢是解决纤维素类生物质能量转化的有效途径之一。本项目围绕微生物电解池强化生物质暗发酵制氢的主体，以玉米秸秆为主要原料，首先开展了木质纤维生物质解聚的研究，研究了生物转化与热化学转化两种方法解聚和水解秸秆的规律，并分析了水解液的特性。生物质生物转化的研究表明解纤维梭菌(Clostridium cellulolyticum)对粉碎秸秆的降解率为20%；解纤维梭菌与污泥的混菌体系对粉碎秸秆的降解率为28%。热水解研究表明秸秆降解率最高为80%，所获得的还原糖及有机酸含量分别可达13.31%和26.68%。两种预处理方法表明热水解方法具有速度快、液化效率高等特点，因此本课题采用热水解法预处理玉米秸秆，为下一步秸秆CBP产氢提供基础；其次构建了以秸秆水解液为目标底物的高效制氢和生物燃气的反应器与系统，研究表明经过300余天的菌种驯化，在以秸秆热水解液为底物条件下，UASB和PBR两种高效反应器的产氢速率约为1 L/L/d，在两阶段氢气和甲烷发酵条件下COD去除率为65%。通过Illumina MiSeq测序分析菌群微生物多样性，结果表明产氢反应器中的微生物主要以Clostridiaceae为主，在UASB和PBR中分别占到96.1%和38.2%；最后，以秸秆水解液为底物，构建了MFC-MEC微生物电化学系统与装置，集成了厌氧反应器和电化学装置的特点，阳极采用碳纳米管同时用做微生物载体和电极，碳纳米管颗粒堆积在阳极室内形成填充床反应器。在有机负荷率（OLR）为2 g/L/d的秸秆水解液作为底物时，系统最大的COD去除率为80.8%，而且MEC对2,4二甲基苯酚、二苯胺等难降解物质去除率均大于50%。同时，氢气含量高达55.5%，氢气产率为25.5 mL/L/d。与暗发酵产氢相比，微生物电化学系统能够有效去除难降解物质，氢气产率有待进一步优化，但与暗发酵结合可提高整体产氢效率。本项目共发表SCI论文10篇，申报专利6项，为微生物电化学法强化纤维类生物质暗发酵制氢提供了科学依据，具有重要的理论意义和应用价值。