长期停电对微生物电甲基生成作用的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Impact of Long-Term Power Interruptions on Microbial Electromethanogenesis

本研究首次调查了长期（一个月）断电对混合培养微生物电甲烷化（MEM）系统的影响，发现电流密度下降12-14%，甲烷产量降低25-41%。尽管甲烷生产效率显著下降，系统在恢复供电后仍能恢复运行。微生物分析表明，甲烷菌（如Methanobacterium）受长期断电影响更大，而电活性菌（如Desulfovibrio）更具适应性，说明电化学活性微生物的恢复能力是系统维持运行的关键。

　　在当前全球能源转型的大背景下，可再生能源的迅速发展成为推动低碳经济的重要动力。国际能源署（IEA）的数据显示，从2020年到2026年，可再生能源的装机容量预计将增长超过60%，这几乎占全球能源装机容量增长的95%。然而，可再生能源的一个显著特点就是其供应的间歇性，这种特性对电网的稳定性和运行效率构成了挑战。为了应对这一问题，储能技术的应用变得尤为重要，其中，电力转气体（Power-to-Gas, P2G）技术因其独特的能量存储能力而受到广泛关注。P2G技术不仅能够将多余的可再生能源转化为氢气，还可以进一步与二氧化碳结合生成甲烷，这种燃料气体因其更易于储存和运输而成为一种更具吸引力的解决方案。

微生物电化学甲烷生成（Microbial Electromethanogenesis, MEM）作为P2G技术的一个重要分支，为可再生能源的高效存储提供了新的可能性。MEM是一种生物电化学过程，利用微生物催化二氧化碳还原为甲烷，并通过外部电力供应提供所需的电子。这项技术具有环境友好和资源高效利用的双重优势，因为其使用的催化剂成本低廉，且能够将二氧化碳这一温室气体转化为有价值的能源。然而，MEM系统在面对长时间的电力中断时，其性能是否能够保持稳定，依然是一个值得深入探讨的问题。

研究表明，MEM系统在应对短时间的电力中断时表现出了一定的恢复能力。例如，当电力中断不超过四天时，系统仍能恢复其原有的甲烷产量和电流密度。然而，对于更长时间的电力中断，尤其是持续一个月的断电情况，系统的恢复能力则受到了挑战。在本研究中，我们对两个标准的H型反应器进行了长达一个月的断电处理，并观察到电流密度和甲烷产量均出现了下降，分别为12%至14%和25%至41%。尽管如此，系统仍然能够在重新通电后恢复其功能，特别是在第二次断电之后，恢复速度更快，表明系统可能已经适应了长时间的断电条件。

进一步的分析表明，断电对甲烷生成菌（如*Methanobacterium*）的影响更为显著，而参与氢气生产的电活性细菌则表现出更强的恢复能力。这一发现为理解MEM系统中不同微生物群体对电力中断的响应提供了重要的线索。研究还指出，在首次断电后，系统中的一些微生物群体发生了显著的变化，而在第二次断电后，这种变化变得更加明显，显示出微生物群落对长时间断电的适应性。这种适应性可能有助于提高MEM系统在实际应用中的鲁棒性，尤其是在面对频繁的电力中断时。

实验设计采用了两个标准的H型反应器，每个反应器的内部容积为500毫升，通过阳极和阴极室之间的阳离子交换膜进行分离。阴极电极采用石墨毡作为材料，这种材料具有高比表面积、良好的导电性和生物相容性，有利于微生物的附着和电子传递。实验过程中，反应器在断电期间被置于开放环境中，以防止氧气的积累。为了确保实验的准确性和可重复性，所有分析测量均在三次重复中进行，结果的相对偏差控制在5%以内。

在断电期间，研究人员特别关注了电流密度、甲烷产量和库仑效率（Coulombic Efficiency, CE）的变化。这些指标不仅反映了系统的运行状态，还提供了关于微生物活性和代谢路径的重要信息。通过对比断电前后数据的变化，可以观察到系统在恢复过程中的一些关键特征，如电流密度的快速回升和甲烷产量的逐步恢复。这些结果表明，虽然长时间的断电会对系统性能造成一定影响，但通过适当的管理和优化，MEM系统仍具备一定的恢复能力。

在实验的第二阶段，研究人员对反应器进行了第二次一个月的断电处理，并再次进行了恢复测试。结果显示，与第一次断电相比，第二次断电后的恢复速度更快，特别是电流密度和库仑效率的恢复更为显著。这表明，经过第一次断电后，系统中的微生物群落可能已经发生了一定的适应性变化，使得其在面对第二次断电时表现出更强的恢复能力。然而，尽管恢复速度有所提高，甲烷产量的下降幅度仍然较大，这提示我们，即使在恢复后，系统的整体性能仍可能受到断电的长期影响。

微生物群落的分析进一步揭示了断电对不同微生物群体的影响差异。研究发现，甲烷生成菌（如*Methanobacterium*）在断电期间遭受了较大的损失，而电活性细菌则相对稳定。这种差异可能与甲烷生成菌对电子或氢气的依赖程度较高有关，而电活性细菌则能够在断电条件下维持一定的代谢活动。通过高通量测序和定量PCR（qPCR）技术，研究人员能够详细分析微生物群落的组成变化，并识别出那些在断电后仍能保持较高活性的微生物群体。

此外，实验还关注了微生物群落的适应性。在首次断电后，微生物群落的组成发生了显著变化，而在第二次断电后，这种变化变得更加明显。这表明，长时间的断电可能促使微生物群落发生结构上的调整，以适应新的环境条件。这种调整可能包括某些微生物的增殖和主导地位的形成，从而影响整个系统的性能表现。研究人员还注意到，在断电期间，系统中的有机物浓度有所下降，这可能与微生物对有机物的消耗有关。

总体而言，这项研究揭示了MEM系统在面对长时间断电时的恢复能力和微生物群落的适应性。尽管断电会对系统的性能造成一定影响，但通过适当的管理和优化，系统仍能在恢复后达到较高的运行效率。这些发现对于推动MEM技术在实际应用中的发展具有重要意义，特别是在可再生能源供应不稳定的情况下，如何提高系统的鲁棒性和适应性成为关键课题。未来的研究可以进一步探索微生物群落的适应机制，以及如何通过调整操作条件来改善系统的恢复能力。这些研究不仅有助于提升MEM技术的可行性，也为构建更加稳定和高效的可再生能源存储系统提供了理论支持和技术指导。