基于乙酸纤维素胶囊封装阳极的微生物电解池的电化学性能

《Bioelectrochemistry》：Electrochemical performance of microbial electrolysis cells based on an anode encapsulated in a cellulose acetate capsule

　　

摘要

在微生物电解池中对阳极进行封装是一种有望调节微生物群落结构并提升电子传递效率的策略。我们在117天内，分为四个阶段对封装型（Capsule-MEC）与未封装型（Control-MEC）系统进行了测试：首先接种硫化吉伯杆菌，接着接种还原金属吉伯杆菌，然后添加碳黑纳米颗粒，最后输入人工废水。在废水处理阶段，Capsule-MEC的界面电子传递动力学更为优异，其电荷传递电阻更低（153.20 vs. 459.10 Ω cm2），生物膜电阻也更低（39.08 vs. 57.39 Ω cm2），同时阳极电荷密度大约是Control-MEC的三倍。在人工废水条件下，电流密度提升了3.6倍，可达3.09 A m?2。尽管在复杂底物条件下，Capsule-MEC的化学需氧量去除率较低（27.7% vs. 53.5%），但其库仑效率却显著更高（11.46% vs. 2.18%），这表明通过抑制非产电途径，该系统能更高效地回收电子。氢气产量也呈现类似趋势，在废水处理阶段可达0.065 m3 m?3 d?1。微生物群落分析显示，封装环境内存在强烈的选择压力，使得具有电活性的变形菌类数量增加，产电细菌的比例从54.89%上升至78.07%，而发酵型微生物则受到抑制。这些研究结果表明，阳极封装能够重塑微生物群落结构，使其向专门的电活性群体转变，从而提升微生物电解池在复杂底物条件下的性能。

引言

微生物电解池和微生物燃料电池都是利用废水生产绿色能源的装置。微生物电解池可产生氢气，而微生物燃料电池则能生成电能[1]、[2]。阳极的性能取决于产电细菌，这也是制约微生物电解池应用的主要因素，因为非产电微生物的侵入会降低电流输出和氢气产量[3]、[4]。

基于水凝胶的微生物固定化技术是一种有效的保护产电细菌的方法，它不仅能提高生物相容性，还能帮助微生物抵御环境压力[5]。海藻酸钙是一种广泛用于固定细菌细胞的有机聚合物[6]。研究表明，海藻酸的羧基与壳聚糖的胺基之间的强离子相互作用，能够提升被固定化微生物的机械性能和生物电活性[7]。用海藻酸钙-壳聚糖珠子固定化酿酒酵母用于乙醇发酵时，即便多次重复使用这些珠子，也不会出现污染现象，且最终得到的乙醇浓度与使用未固定化酵母的发酵罐相当[8]。先前的研究显示，以废水为碳源的微生物电解池中，未固定化阳极、海藻酸固定化阳极以及海藻酸钙固定化阳极的电流密度分别可达8.14 A m?2、10.30 A m?2和11.52 A m?2[9]。

有一种微生物电解池设计，它将海藻酸细菌阳极与过滤袋封装结合在一起，以乙酸与废水的体积比为2:1运行，此时过滤袋中封装的生物阳极的最大电流密度为7.42 A m?2，裸露的生物阳极为9.49 A m?2，而过滤袋中封装的海藻酸生物阳极的电流密度则为8.17 A m?2[10]。另一种采用琼脂糖固定化细菌阳极的微生物燃料电池，其功率密度可达0.343 W m?2，而未固定化阳极的功率密度仅为0.240 W m?2。琼脂糖凝胶阳极上电活性吉伯杆菌的分布比例高达62%，而对照组的这一比例仅为40%[11]。

将碳布和不锈钢阳极封装在50 kDa的透析膜中，可选择性捕获硫化吉伯杆菌，使其相对丰度提升至70%，同时产生的电流密度可达15.7 ± 0.63 A m?2，而未封装的对照组仅为12.19 ± 0.49 A m?2[12]。将细菌阳极与石墨纳米颗粒一起封装在透析袋中，可以有效减少非产电细菌的干扰，此时电流密度为2.73 A m?2，氢气产生率为7.6 × 10?2 m3 m?3 d?1；而裸露阳极的电流密度仅为0.33 A m?2，氢气产生率为5.1 × 10?3 m3 m?3 d?1[13]。

虽然已有研究探索过利用水凝胶和膜技术实现微生物固定化（见示意图1 A），但这些研究大多在受控条件下进行，且运行时间较短或处于中等水平。在持续搅拌的废水环境中，封装处理对微生物演替、电化学稳定性以及生物膜存活能力的影响仍不明确。

非产电微生物会在阳极表面定殖，形成物理屏障，与产电细菌争夺营养物质和碳源，进而降低电子传递效率。此外，可能应用于污水处理厂的生物电化学系统中的生物阳极，还需要承受较强的剪切力和摩擦力以及不稳定的进水流量[3]、[14]。常规操作可能会破坏生物膜，导致电荷传递效率下降。为了解决这一问题，人们设计了一种小型生物反应器平台（SBP；专利申请号PCT/IL2010/256），用于封装并保护产电微生物。该平台由一个3D胶囊构成（尺寸为2.5厘米×0.8厘米），细菌被封存在这个封闭空间内，且通过0.2微米孔径的微滤膜与废水隔开。这种设计既能让营养物质渗透进去，又能防止生物膜被冲走以及微生物间的竞争，从而使微生物能够快速适应环境，并保持稳定的生物膜结构[15]。

在我们的研究中，阳极被封装在经过改良、尺寸放大的醋酸纤维素SBP胶囊中，该胶囊长度为4.5厘米，宽度为2厘米，以便拥有更大的表面积，我们将其与未封装的对照组一同进行测试。这些微生物电解池首先接种硫化吉伯杆菌，培养66天，之后再加入还原金属吉伯杆菌，继续培养18天。随后，加入碳黑纳米颗粒，再培养16天，以此提升向阳极的电子传递效率。最后的运行阶段持续17天，期间向微生物电解池中输入含有大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、阴沟肠杆菌和恶臭假单胞菌混合菌群的人工废水。

在117天的运行期间，我们监测了系统的电化学性能、化学需氧量去除效率以及阳极生物膜的存活情况。通过比较封装阳极与对照组的细菌分布情况，我们评估了封装处理对提升阳极生物膜稳定性和使用寿命的作用，以此为实际生物电化学系统应用提供参考。

章节摘录

硫化吉伯杆菌与还原金属吉伯杆菌的培养基配方

硫化吉伯杆菌（DSMZ 12127，德国布伦瑞克）在包含沃林维生素溶液（来自DSMZ培养基120 [16]）和改良沃林矿物溶液（来自DSMZ培养基141）的培养基中生长。还原金属吉伯杆菌（DSMZ 7210，德国布伦瑞克）则在与硫化吉伯杆菌相同的培养基中生长，该培养基中也含有同样的矿物质和维生素。这些培养基会通入80%氮气与20%二氧化碳的混合气体约45分钟，以创造缺氧环境，之后再接入浓度为10%的相应细菌。

循环伏安法分析

循环伏安法被用来评估微生物电解池的电化学性能以及电子传递行为。通过将阳极电位在?0.8至0.8 V（相对于Ag/AgCl电极）的范围内扫描，并记录相应的电流响应，循环伏安法能够帮助我们了解氧化还原反应活性、生物膜的形成情况以及细胞外电子传递的效率。通过循环伏安法可以得到诸如起始电位、氧化峰电位、峰电流密度等电化学参数。

结论

本研究系统地分析了阳极封装对微生物电解池电化学性能、氢气产量、底物利用效率以及微生物群落发展的影响，这些测试是在连续富集处理和复杂底物条件下，对微生物电解池进行的为期117天的研究。通过Capsule-MEC系统进行的实验表明，封装处理确实能够提升界面电子传递动力学，这体现在更低的电荷传递电阻以及更高的比电容上。

CRediT作者贡献说明

阿维纳什·朱坎蒂：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，软件应用，方法设计，实验研究，正式分析，数据整理，概念构思。阿比希克塔·奇利韦鲁：软件应用，正式分析。万希·克里希纳·邦马加尼：可视化，正式分析。亚历克斯·谢赫特：写作——审稿与编辑，方法设计，概念构思。奥菲尔·梅纳舍：方法设计，概念构思。里夫卡·卡汉：写作——审稿与编辑，项目监督，资源协调，方法设计，资金支持

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了以色列国家基础设施、能源和水资源部的资助，资助编号为222-11-062。相关插图由www.biorender.com制作。图形摘要的授权号为FR29EVFDK7，封装阳极的授权号为KM29HN8NFW，封装阳极制备过程的图表授权号为FG29DNOYYN，而等效电路模型图的授权号为OX29HN8FUW。

阿维纳什·朱坎蒂|阿比希克塔·奇利韦鲁|万希·克里希纳·邦马加尼|亚历克斯·谢赫特|奥菲尔·梅纳舍|里夫卡·卡汉

以色列阿里尔大学化学工程系，阿里尔40700