外源电解协助构建微生物电解池阳极电活性微生物膜的研究

Considering hydrogen production efficency of MEC in practical use, this project, under the electrolysis assistance, will focus on the research of anode bio-film to promote hydrogen production efficency. Firstly, by using chemical and electrochemical analysis method, this project will investigate the influence of environmental factor control on the formation of MEC anode bio-film with relative hydrogen efficiency as indicator, so as to establish a new way of MEC anode bio-film formation. Secondly, by using chemical analysis method, confocal laser scanning microscopy analysis(CLSM) and infrared spectrum analysis, this project will also dynamically research the effect of environmental factor control on the formation of extracellular polymeric substances(EPS), as a result that the change characteristics of EPS at the surface and surroundings of anode bio-film and its relationship with forming an high-efficiency bio-film will be understood, and then the formation mechanism of MEC anode bio-film will be further clarified from the biochemical view. Meanwhile by using CLSM or SEM and culture-independent methods, this project will dynamically investigates the growth of microorganisms and the microbial community, distribution and structure characteristics of microorganisms at the bio-film surface and surroundings, so that the change characteristics of microorganisms and its relationship with forming an high-efficiency bio-film will be recognized, and then the formation mechanism of MEC anode bio-film will be made clear from the microbial ecology view. Finally the end products of traditional fermentative hydrogen production can be converted further into hydrogen efficiently.

针对MEC制氢实用化所面临的制氢效率的问题，本项目以MEC阳极膜为着眼点，在外源电解协助下，(1) 采用化学和电化学分析法，以体现MEC制氢效率的各项指标，综合评价关键环境因子调控对形成阳极膜的影响，建立具有较高电化学活性和制氢效率的MEC阳极膜的形成方法；(2) 采用化学和仪器分析法、CLSM法，动态研究关键环境因子调控对阳极膜表面及周围环境的胞外聚合物(EPS)形成过程的影响，阐明MEC阳极膜的EPS变化特征及其与形成高效MEC阳极膜之间的关系，从生物化学角度阐明MEC阳极膜的形成机制；(3) 采用CLSM或SEM法、免培养分析法，动态研究关键环境因子调控对阳极膜表面及周围环境的微生物分布、类群结构特征的影响，阐明MEC阳极膜的微生物变化特征及其与形成高效MEC阳极膜之间的关系，分别从微生物生态学和分子生物学角度阐明MEC阳极膜的形成机制。实现发酵产氢末端产物进一步高效产氢。

MEC阳极膜是微生物生长繁殖的一个非常关键的微生态环境，在MEC制氢中起着非常关键的作用。有关微生物的生理生化代谢、胞内和胞外的电子传递、各种产氢底物的氧化变迁、以及各种反应器工艺技术的改善和实用化等，都与MEC阳极膜有着密切的关系。为此，本项以MEC阳极膜为研究对象，研究了关键环境因子调控对形成MEC阳极膜的影响，研究了关键环境因子调控对MEC阳极膜化学物质特征和微生物特征的影响，建立了快速形成具有较高电化学活性和产氢性能的MEC阳极膜的方法。研究结果表明：（1）在诸因子中，电压和pH值的最为关键，适宜的电解电压为0.6-1.2V，pH值为中性或弱碱性，其他因子比较适宜参数：增大初始电流密度有利于MEC阳极膜的形成；电极间距1.5-3.0cm；温度25℃-35℃；底物浓度15g/L~20g/L；接种量10%-30%；多种底物均可用于MEC阳极模的培养，但当使用糖类底物时须防止发酵料液的酸化。（2）电流值、膜电化学活性和膜生物量与MEC阳极膜产氢能力之间的呈正线性关系，因此可以利用最大电流值、CV曲线氧化还原峰值电流或膜生物量评价MEC阳极膜的产氢能力。（3）不同参数条件下，阳极膜EPS中蛋白质含量明显高于多糖含量，且EPS蛋白质成分明显随产电密度而增大，在较高电流刺激下，阳极产电菌会分泌更多的EPS蛋白质，由此形成了一个良性循环；阳极膜EPS表面电荷均呈负电性，含有较多负电荷基团，因此在酸性环境中难以形成有效的MEC阳极模。其他不同发酵参数也对EPS电负性有显著影响。（4）不同实验条件下，MEC阳极膜的产氢能力与优势产电菌g-Clostridium和g-Geobacter的丰度成正比，与膜表面的生物多样性反比。表明MEC阳极膜表面的产电微生物越多产氢能力越强，但是阳极膜表面的优势微生物未必都是产电微生物，还有一些发酵产酸微生物对系统的整体性能具有直接或间接的辅助功能。因此，为了获得高效产氢能力的MEC阳极膜，除了关注产电微生物外，还需考虑多种微生物的协同作用。