热嗜酸甲烷氧化生物滴滤塔的长期运行性能研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Long-term performance of thermoacidophilic methanotrophic biotrickling filters

　　

本研究探究了热嗜酸生物滴滤塔（BTF）在酸性（pH 2.2–2.5）和嗜热（45 °C）条件下对甲烷的去除效果。研究人员在约700天内，于厌氧、微好氧和好氧三种运行模式下操作了四套实验室规模BTF反应器，以评估甲烷氧化微生物群落的富集、活性及稳定性。在初始建立阶段后，生物膜成功在浮石填料上发育，微好氧条件（1%–3% O2）下甲烷消除能力（EC）达到41.9 ± 2.6 g m-3 h-1。好氧反应器达到的最大EC为30.7 ± 2.4 g m-3 h-1，而在较高甲烷负荷率下性能下降，可能归因于氧气限制以及甲酸等抑制性中间产物的积累。微生物群落分析显示，热嗜酸甲烷氧化菌Methylacidiphilum持续占据优势地位（相对丰度47%–99%），尽管其在地热土壤接种物中的初始丰度很低。反应器性能随时间变化，受营养物质可利用性、生物膜积累及传质限制（包括液体沟流和床层淹没）驱动。升高的CO2回收率（>100%）和O2消耗表明群落内可能发生了内源碳代谢转变及潜在的互养相互作用。此外，反应器内的铁溶解支持了铁循环嗜酸菌的增殖。总体而言，本研究首次证明了热嗜酸甲烷去除BTF的长期运行可行性，并凸显了其处理高温、酸性气流（如垃圾填埋场沼气和地热排放气体）的应用潜力。

论文解读：热嗜酸甲烷氧化生物滴滤塔的长期运行性能研究

一、研究背景与科学问题

甲烷（CH₄）排放自工业革命以来贡献了全球气温升高的约30%，主要来源包括农业、化石燃料开采、废弃物处理及生物燃料燃烧等领域。甲烷的生物去除技术中，生物过滤和生物滴滤塔（BTF）利用好氧甲烷氧化菌（methanotrophs）的代谢活性将甲烷转化为二氧化碳（CO₂），从而降低排放影响。相比传统生物过滤器，BTF在营养物质、温度和pH等运行参数的控制方面具有更大优势。

然而，甲烷生物过滤面临一个关键挑战——甲烷在水中的溶解度极低（1 atm和常温下约20 mg L^-1），导致气液传质效率受限。此外，常见的甲烷伴生污染物如硫化氢（H₂S）对传统中温甲烷氧化菌具有抑制作用。垃圾填埋场沼气的提取和处理过程中，由于H₂S氧化伴随产生酸性物质，高温且酸性的气体环境使得传统中温生物处理技术难以适用。

已有研究表明，热嗜酸甲烷氧化菌Methylacidiphilum属（疣微菌门，Verrucomicrobiota）天然适应含硫环境（如地热土壤排放的H₂S），并具有氧化H₂S的能力，因此可能为甲烷生物过滤应用提供优势。尽管已有关于嗜酸H₂S去除BTF和嗜热甲烷去除（中性pH，最高60 °C，EC为38–75 g m^-3 h^-1）的研究报道，但热嗜酸条件下甲烷去除BTF的性能此前从未被报道。因此，本研究旨在微好氧和好氧条件下富集热嗜酸甲烷氧化群落于BTF中，并表征其代谢活性和群落组成，以探索其在甲烷减排技术中的潜在应用。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员设计并构建了四套实验室规模的柱式BTF反应器，采用硼硅酸盐玻璃材质，内径53.5 mm，总长450 mm。反应器在45 °C（±0.4 °C）下运行，pH维持在2.2–2.5。气体与液体采用逆流方式（气体向上、液体向下，流速25 mL min^-1）。V4营养培养基按Dunfield等人（2007）配方配制，添加0.2 mM稀土元素，排除酵母提取物以最大限度减少异养生长。

研究采用的主要关键技术方法包括：浮石填料（4–7 mm粒径）作为生物膜载体；地热土壤（新西兰Rotokawa地区）制备的土壤浆液作为接种物，每套反应器接种800 mL土壤浆液并循环30天直至检测到甲烷去除；16S rRNA基因（V3-V4高变区）扩增子测序用于微生物群落结构分析；SGX红外和电化学气体传感器实时监测进出口气体组成（CH₄、CO₂、O₂）；微波等离子体原子发射光谱（MP-AES）测定液相中铁浓度；高效液相色谱（HPLC）定量有机代谢产物；光学密度（OD₆₀₀）与细胞干重（DCW）校准用于生物量定量。

三、研究结果

3.1 生物膜建立与初期BTF性能

研究初期（前120天）尝试使用2 mm玻璃珠作为填料，但未检测到显著甲烷去除，也未观察到可见生物膜发育。研究人员推测，在酸性条件（pH < 3）下玻璃表面呈现正zeta电位和电荷密度，而嗜酸菌（如Acidithiobacillus ferrooxidans）在pH < 3时可呈现中性和逐渐增大的正表面电荷，微生物与玻璃之间的静电排斥作用可能抑制了生物膜形成。改用浮石填料后，R2、R3和R4反应器在35天内形成生物膜，甲烷消除能力（EC）在运行第30至55天达到稳定值，分别为4.8（±2.1）、24.1（±1.2）和23.3（±1.1）g m^-3 h^-1（负荷率33.4 ± 2.7 g m^-3 h^-1）。R1反应器在“厌氧”运行（O₂ < 500 ppm）期间甲烷去除极低（1.17 ± 0.48 g m^-3 h^-1），第302天转为微好氧运行后，EC在35天内快速增加9倍至11.1（±0.7）g m^-3 h^-1，随后在负荷率提高至52.4（±1.0）g m^-3 h^-1后达到稳定EC 42.0（±2.4）g m^-3 h^-1，持续33天，为整个研究期间所有反应器中最长且最稳定的高EC。

3.2 BTF反应器长期运行中性能的变异性

在700天连续运行中，所有反应器均表现出随实验参数变化而波动的性能。微好氧反应器（R1和R2）的EC变化较大，R1在特定时期达到41.9（±2.6）g m^-3 h^-1的稳定EC，而R2的EC一般在10–30 g m^-3 h^-1范围内波动。两个好氧反应器的EC一般在约10–40 g m^-3 h^-1范围。R2在700天中有154天CO₂回收率超过100%，R3和R4也观察到类似现象。研究人员将此归因于细菌在先前不平衡生长时期（如O₂或氮限制伴随碳过量）积累的内源储存聚合物（如糖原、PHA）的分解代谢，以及低EC条件下测量不确定性对计算的影响。

3.3 BTF微生物群落结构与多样性

初始富集期（43天）后，R2-R4反应器群落以Methylacidiphilum属（相对丰度47%–99%）为主导，而接种土壤中疣微菌门类群丰度仅0.54%。尽管Methylacidiphilum在土壤中初始丰度低，但在甲烷供应和热嗜酸运行条件的强选择压力下，其在所有反应器中持续保持优势（>47%）长达2年。非甲烷氧化类群（包括Alicyclobacillus、Sulfobacillus、Acidibacillus和Mycobacterium）的丰度在运行期间波动（<1%至32%）。多样性指数显示，BTF富集后的微生物多样性（H′ 1.49–1.74，D 0.66–0.74）高于地热土壤接种物（H′ 0.99，D 0.38），表明热嗜酸条件和甲烷供应促进了土壤中低丰度（<1%）微生物的增殖。

3.4 甲烷负荷率对消除能力的影响

为确定最大消除能力（EC_max），研究人员在好氧反应器R3和R4（10%入口O₂）及微好氧反应器R1（2.5%入口O₂）中逐步提高甲烷负荷率（LR）至约57–350 g m^-3 h^-1。R3和R4的EC_max分别为30.7（±2.4）和18.6（±3.2）g m^-3 h^-1，在LR为155.1和236.3 g m^-3 h^-1时实现。R1在LR达100 g m^-3 h^-1前EC对LR变化不敏感，EC_max为7.8（±1.6）g m^-3 h^-1。值得注意的是，所有反应器在更高LR下EC反而下降，这与典型甲烷生物过滤器中EC随LR增加至临界值后保持平台期的行为不同。研究人员推测这可能归因于O₂:CH₄比例不足限制甲烷完全氧化，以及碳过量条件下有毒中间产物（如甲醛、甲酸）的积累。HPLC分析检测到R1和R4液相中甲酸积累高达5.6（±1.0）mM，而Methylacidiphilum在甲酸超过1 mM时即受抑制。高LR下CO₂回收率超过100%（最高达380%）和O₂:CH₄消耗化学计量比超过2，表明发生了非甲烷底物的氧化过程，可能涉及内源储存聚合物的分解或异养菌对分泌代谢产物的氧化。

3.5 铁溶解支持铁依赖类群

运行前65天内，金属填料支撑件锈蚀并被塑料件替换。MP-AES分析显示所有反应器液相中可溶性铁浓度升高（最高160 ppm，V4培养基中为2 ppm），与金属管件和支撑件的腐蚀一致。Sulfobacillus和Alicyclobacillus作为第二优势属，均为已知的铁氧化/还原菌，部分物种能够利用Fe²⁺与有机碳进行混合营养生长或促进含铁矿物溶解。研究人员推测Methylacidiphilum在氧或氮限制下分泌有机酸，可能促进了化能自养菌参与的金属腐蚀过程，但热嗜酸条件下甲烷氧化驱动的金属溶解此前从未被报道。

3.6 周期性行为

R3反应器表现出最持久的周期性行为，与每7–14天的培养基更换周期一致。更换培养基后EC、O₂去除和CO₂回收率在1–2天内快速上升，达到40–55 g m^-3 h^-1的峰值EC后逐渐下降，峰值EC高于LR研究中的EC_max（30.7 ± 2.4 g m^-3 h^-1）。反应器倒置混合后EC增加，以及第158–230天间歇性床层淹没导致EC瞬时下降80%–90%，均支持传质限制假说。硫堇乙酸盐（TA）示踪实验揭示了R1和R2中显著的液体沟流现象，床层中形成1–2 cm空隙。这些结果表明，长期运行中观察到的周期性行为可能源于气体和液体分布不均，限制了BTF中有效活性生物膜的面积。

四、讨论与结论

本研究首次证明了热嗜酸甲烷去除BTF的长期运行可行性。在非限制性好氧条件下，最大EC为18.6（±3.2）和30.7（±2.4）g m^-3 h^-1（分别在LR为236.3和155.1 g m^-3 h^-1时实现），与许多中温甲烷去除系统的报道值相当。微好氧条件下（1%–3% O₂，R1）在33天期间实现了最高持续EC 41.9（±2.6）g m^-3 h^-1。所有反应器运行期间EC不稳定，周期性响应培养基补充或生物膜去除而升高，归因于甲烷氧化代谢向内源储存聚合物积累的转变以及深层生物膜中的传质限制。微生物群落以Methylacidiphilum属（相对丰度47%–99%）持续主导，伴随其他嗜酸菌属（如Alicyclobacillus、Sulfobacillus和Acidibacillus）的间歇性出现。

研究结论指出，热嗜酸BTF具有处理来自垃圾填埋场和地热土壤等酸性高温源甲烷排放的潜力。未来工作应探索适应过量生物量产生的填料和反应器改造方案。液体沟流结果表明反应器可能在次优条件下运行，暗示存在实现更高EC的潜力。然而，热嗜酸群落可能不适合高甲烷负荷率，因为循环培养基中甲酸积累可能产生抑制作用。过量生物量产生相对于中温甲烷氧化BTF可能因压降问题而成为更大挑战，但该系统在甲烷浓度较低的排放场景（如采矿或牛舍运营相关排放）中可能具有应用价值，因为持续生长可能增强消除能力。