电助动态膜生物反应器中电压施加对产氢性能及系统稳定化的影响

《Frontiers in Microbiology》：Effects of voltage application on hydrogen production performance and stabilization in an electro-supported dynamic membrane bioreactor

　　

电压施加在电助动态膜生物反应器中对系统稳定化时间及生物产氢性能具有显著影响。本研究开发了一种新型电助动态膜生物反应器（EDMBR），通过将电极功能整合至孔径为444 μm的不锈钢网支撑动态膜组件中，以探究电压施加在连续生物产氢过程中对系统稳定化时间、产氢性能、代谢通路偏移及微生物群落变化的影响。两个独立的EDMBR系统在连续运行条件下，于30至700 mV的不同施加电压范围内进行了操作。研究人员分析了不同运行条件下的产氢性能、可溶性代谢产物、悬浮生物量、生物膜浓度及微生物群落结构。结果表明，EDMBR中的电压施加同时影响了过程稳定化与生物响应。电输入通过改善生物量截留加速了系统稳定化，而持续的电压施加则与cobra1代谢通路偏移及微生物群落变化相关。电压施加将达到拟稳态所需的稳定化时间从8天缩短至3天。然而，过高的电输入在高电流密度条件下与产氢性能下降及电支撑网的局部腐蚀相关。这些结果表明，电压施加下存在快速稳定化与产氢性能之间的权衡，提示电输入应进行策略性管理而非持续强化。研究确定了0.30至1.21 mA/cm²的操作窗口，以在最小化腐蚀及反应器劣化风险的同时平衡快速稳定化与产氢性能。在此范围内，电压施加可用于反应器劣化后恢复拟稳态。然而，过度的电输入可能增加代谢通路偏移及长期性能下降的风险。因此，建议进一步研究以开发维持代谢通量朝向产氢₂通路并保持产氢菌优势地位的运营策略。

本研究发表于《Frontiers in Microbiology》，旨在开发并评估一种新型电助动态膜生物反应器（electro-supported dynamic membrane bioreactor, EDMBR）用于连续生物产氢，系统探究电压施加对系统稳定化及产氢性能的多重效应。

研究背景与问题方面，氢气因其高能量密度（122 kJ/g）及燃烧过程无CO₂排放而被视为关键替代燃料，对全球碳中和目标具有重要意义。其中，暗发酵（dark fermentation）技术可直接利用有机废弃物产氢，且基于生命周期分析（life cycle analysis, LCA）满足绿氢标准，兼具经济性与实用性优势。然而，连续暗发酵系统常面临运行不稳定、稳定化周期长甚至运行终止等问题，严重阻碍其商业化进程。为此，电压施加被提出作为加速过程稳定化的策略，但传统电发酵系统依赖电极界面表面反应，有效反应位点受限。动态膜生物反应器（dynamic membrane bioreactor, DMBR）中，生物质形成的滤饼层可作为富生物质界面，将电极功能整合至动态膜模块有望提供 abundant 反应位点并强化微生物-电极互作。

研究结论显示，电压施加在EDMBR中产生双重效应：一方面通过促进生物膜形成和改善生物量截留加速系统稳定化（稳定化时间从8天缩短至3天）；另一方面，持续电压施加导致代谢通量从产氢通路向同型乙酸生成及乳酸生成通路偏移，伴随微生物群落结构改变，最终造成产氢性能下降。研究确定了0.30至1.21 mA/cm²的优化操作窗口，以平衡快速稳定化与产氢性能，同时规避腐蚀风险。该研究为连续EDMBR系统的策略性电输入管理提供了重要理论依据。

研究采用的主要关键技术方法包括：以连续搅拌槽式反应器（continuous stirred tank reactor, CSTR）耦合两个侧流式电助动态膜（EDM）模块构建两套独立EDMBR系统，使用来自韩国富川市污水处理厂厌氧消化器的产甲烷污泥经90°C热预处理作为接种物，以20 g/L葡萄糖为底物进行连续运行；通过湿式气体流量计监测产气量，采用气相色谱（thermal conductivity detector, TCD）分析氢气含量；利用高效液相色谱（high-performance liquid chromatography, HPLC）定量挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）及残糖；通过PowerSoil DNA提取试剂盒进行基因组DNA提取，采用16S rRNA基因PCR扩增及Illumina iSeq平台进行微生物群落测序，使用QIIME2生物信息学流程进行数据分析；测定挥发性悬浮固体（volatile suspended solids, VSS）及化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）等理化指标。

研究结果部分如下：

**3.1 电压施加对连续产氢性能的影响**

Reactor A初始运行至第/Users/luthfisaugata/Developer/Projects/cursor-projects/luthfisaugaran.ai/logs/2025-06-12/443b0e8d-1b0f-4e1e-9b15-42e77fa700fdHRT为6和3 h，后切换至2 h，Period I（0 mV，第20–24天）达到最高产氢性能，平均氢气产率（hydrogen production rate, HPR）和氢气产率（hydrogen yield, HY）分别为58.22 ± 1.17 L/L/d和1.95 ± 0.04 mol H₂/mol glucose_added。施加30–90 mV期间（Periods II–IV），HPR和HY维持相对稳定；但升至120 mV（Period V）后显著降至50.82 ± 1.08 L/L/d和1.70 ± 0.04 mol H₂/mol glucose_added。Reactor B初始运行模式类似，Period I HPR和HY分别为55.74 ± 1.22 L/L/d和1.87 ± 0.04 mol H₂/mol glucose_added；施加150 mV后（Period II）显著降至48.92 ± 1.20 L/L/d和1.64 ± 0.04 mol H₂/mol glucose_added，且随电压升高持续下降，700 mV时仅为41.47 ± 1.14 L/L/d和1.60 ± 0.17 mol H₂/mol glucose_added，期间出现不锈钢网局部腐蚀，运行终止。电压施加缩短稳定化时间：30–90 mV需7–8天，120 mV需5天，300–700 mV仅需3–4天。

**3.2 副产物分布及代谢通量变化**

通过COD质量平衡分析可溶性代谢产物分布。结果显示，丁酸（butyrate, HBu）为最主要可溶性代谢产物（>8.14 ± 0.35 g COD/L），乳酸（lactate, HLa）和乙酸（acetate, HAc）随电压施加而增加。Reactor A在30–60 mV时代谢产物分布变化不大；90 mV时同型乙酸生成通量（homoacetogenic flux）和HLa分别增至0.07 ± 0.01和0.34 ± 0.01 mol/mol glucose_consumed；120 mV时进一步增至0.07 ± 0.01和0.38 ± 0.01 mol/mol glucose_consumed，同时HY和HBu下降。Reactor B趋势类似，150 mV时同型乙酸生成通量和HLa即显著升高至0.08 ± 0.01和0.40 ± 0.01 mol/mol glucose_consumed，且随电压持续升高HLa维持高位。这些变化表明电压施加导致代谢通路从产氢通路向同型乙酸生成及乳酸生成通路偏移。

**3.3 电压施加对微生物群落的影响**

电流密度、生物膜浓度及悬浮生物量分析显示，随电压升高电流密度增加，生物膜浓度在52.19 ± 0.97至75.48 ± 0.39 mg VSS/cm²范围内相对稳定，悬浮生物量增加而出流悬浮生物量减少，表明电压促进生物膜形成并改善生物量截留。但Reactor B在700 mV时因局部腐蚀导致生物膜浓度骤降至33.42 ± 0.19 mg VSS/cm²。微生物群落分析显示，Clostridium为优势产氢菌，Reactor A中其相对丰度从Period I的68.80%降至Period V的50.45%；Streptococcus在Period IV–V显著增加，可能与同型乙酸生成及乳酸生成相关。Reactor B中Clostridium从68.27%降至31.91%（Period V），Streptococcus从0%升至45.0%（Period II），在Period V成为优势菌（42.53%），与反应器劣化时间一致。

讨论部分，研究人员指出EDMBR中电压施加存在快速稳定化与产氢性能之间的固有权衡。阴极可能发生活性质子还原、氢气演化及直接或间接电子传递至电活性微生物，阳极氧化反应则影响整体电子流和氧化还原条件，这些电化学过程改变细胞内氧化还原平衡并影响发酵代谢通路分布。然而，由于阴极和阳极同时浸没于同一模块，难以区分各自贡献。研究建议未来需阐明各电极的单独反应机制，优化电压和电流密度范围。此外，可考虑生物强化（如接种Clostridium pasteurianum）和间歇电压施加等策略，以维持产氢通路优势并兼顾快速稳定化效益。

研究结论翻译：本研究评估了电助动态膜生物反应器（EDMBR）中电压施加对连续产氢性能的影响。电压施加显著缩短了达到拟稳态所需的稳定化时间（从8天缩短至3天），这与反应器内生物膜形成增强及生物量截留改善相关。然而，电压施加也与代谢通量从产氢通路向同型乙酸生成及乳酸生成通路偏移、微生物群落变化相关，导致高电压条件下产氢性能下降。这些发现凸显了连续EDMBR系统中电化学强化稳定化与生物驱动产氢效率之间的基本权衡。此外，1.62 ± 0.78 mA/cm²的电流密度引发了不锈钢网局部腐蚀，损害生物量稳定性并导致反应器劣化。研究确定了0.30至1.21 mA/cm²的优化操作窗口，以实现加速稳定化同时最小化腐蚀及严重反应器劣化风险。从实际应用角度，连续EDMBR系统中的电压施加应进行策略性管理而非持续强化，因为过度电输入虽可加速稳定化，但同时会损害长期产氢性能。建议进一步研究开发综合操作策略，包括生物强化和间歇电压施加，以维持代谢通量朝向产氢₂通路并保持产氢菌优势地位，实现EDMBR稳定高效的连续产氢。