电场促进EPS分泌强化餐厨垃圾厌氧消化机制探究

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近年来,随着食物浪费的加剧,餐厨垃圾的资源化处理引起了广泛关注,厌氧消化是目前处理餐厨垃圾的最佳方案之一,然而,目前大部分餐厨垃圾厌氧消化项目仍存在有机底物转化效率低、系统稳定性差等技术瓶颈。限制餐厨垃圾厌氧消化效率和稳定性的一个主要因素就是餐厨垃圾中含有的大量可生物降解的有机物容易导致厌氧体系酸化。而随着有机物含量的增加,酸性的进一步积累会打破互养菌(电子供体)和产甲烷菌(电子受体)之间的代谢平衡,从而使厌氧消化最终失败。而胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substance,EPS)作为微生物生长代谢之间的一种“桥梁”,在厌氧消化的电子传递过程中起到至关重要的作用。本论文分别从“电场促进EPS分泌缓解餐厨垃圾酸性抑制机制探究”和“厌氧消化不同产甲烷路径性能分析”两个实验来研究关于EPS在餐厨垃圾厌氧消化过程中电子传递的作用和不同产甲烷路径的效率关系,主要结果如下:(1)电场作用能够缓解餐厨垃圾厌氧消化过程中的酸度抑制,这主要是因为电场的作用促进了阴极生物膜中电活性产甲烷菌Methanosarcina的生长,它们可能通过DIET(Direct Interspecies Electron Transfer)过程直接接受来自其潜在的DIET互养微生物(Syntrophomonas)的电子,将二氧化碳还原为甲烷。此外,研究还发现,电场促进了阴极生物膜中EPS的分泌。不同电场下(1.7-2.0×10-5 F)阴极生物膜中提取的EPS的电容要比无电场(1.06×10-5F)的更高,这些蛋白类EPS具有更好的电化学特性,这可能介导了Syntrophomonas和Methanosarcina之间的胞外电子传递过程。(2)在电场的研究基础上,进行了关于不同产甲烷路径的厌氧消化性能分析,结果表明,在施加0.9 V电压的情况下,MEC阴极产甲烷过程仅占产甲烷性能提升的很小一部分(2.8%),其性能提升的主要原因是电场作用下EPS分泌促进的EET产甲烷作用(97.2%)。除此之外,还对电活性微生物与厌氧消化性能进行了相关分析,结果显示在电场的作用下,电活性微生物Methanosarcina从44.8%提升到了61.4%,这表明了电场更有利于电活性微生物的富集。
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