基于油脂衍生生物表面活性剂的微生物燃料电池循环增值策略：提升疏水性底物降解与能源回收

《Bioelectrochemistry》：A circular valorization of fat, oil, grease (FOG): Integrating FOG-derived biosurfactant production and FOG-fed microbial fuel cells

本文提出了一种创新的循环生物经济策略，通过利用油脂废弃物（FOG）生产生物表面活性剂（BSFs）并应用于FOG-fed微生物燃料电池（MFCs），有效解决了疏水性底物生物利用度低的技术瓶颈。研究表明，BSFs的添加使MFCs的最大功率密度提升5.5倍（0.44?W/m2），电流密度达1.1?A/m2，COD去除率和库伦效率分别提高至81.1%和7.9%，为脂质废水资源化提供了可持续解决方案。

　　

Highlight

Bacillus velezensis培养与生物表面活性剂生产

从韩国典型培养物保藏中心（KCTC）获取Bacillus velezensis KCTC 13012菌株。首先将菌株划线接种于含5?g/L LB肉汤和7.5?g/L琼脂的营养琼脂平板，37?°C培养24小时获得单菌落。挑取单菌落接种于50?mL YPD培养基（含10?g/L酵母提取物、20?g/L蛋白胨和20?g/L葡萄糖），30?°C、150?rpm振荡培养24小时作为种子液。将种子液以2%接种量转移至最低盐培养基（MSM），分别添加1%体积分数的FOG或葡萄糖作为唯一碳源，30?°C培养7天。每天取样测定600纳米波长吸光度（OD₆₀₀）并通过离心收集上清液用于生物表面活性剂分析。

生物表面活性剂生产与表征

通过7天培养周期记录B. velezensis在分别添加1% FOG或葡萄糖的MSM中的生长曲线（图S2）。以葡萄糖为碳源时，OD₆₀₀值持续增长至第5天达到0.62±0.02后下降；而FOG组在前5天出现延滞期，之后显著生长至第7天OD₆₀₀达0.58±0.01。两组最终生物量浓度相近（p>0.05），但生长模式差异显著（p<0.05）。FOG培养组在第7天通过排油法测得生物表面活性剂产量为2.3?g/L，乳化指数（E₂₄）达68.3%，显著高于葡萄糖组的1.1?g/L和42.1%（p<0.01）。CTAB-亚甲蓝琼脂平板实验显示FOG组形成深蓝色晕圈，证实脂肽类生物表面活性剂产生。

结论

本研究创新性地将FOG同时作为底物和生物表面活性剂生产原料，构建了提升MFC性能的循环策略。B. velezensis衍生的生物表面活性剂有效乳化FOG，使MFC最大电流密度提升至1.1?A/m²，COD去除率达81.1%，库伦效率提高至7.9%，峰值功率密度达0.4?W/m²，显著优于无生物表面活性剂对照组（0.4?A/m²、55.3%、5.9%和0.08?W/m²）。该策略不仅最大化MFC的能源回收效率，还为脂质废水管理提供了环境友好型技术路径。