文摘

一个产甲烷biocathode转换成有限公司₂甲烷研究了电化学和微生物。甲烷产生的biocathode最大速率为5.1 L CH₄/ m²预计每天阴极(1.6 /米²)−0.7 V和新人道阴极电位和3.0 L CH₄/ m²预计每天阴极(0.9 /米²)−0.6 V和新人道阴极的潜力。的微生物群落biocathode是由三个六phylotypes phylotypes古生菌和细菌。古细菌phylotypes最密切相关甲烷细菌属palustre和甲烷细菌属aarhusense。除了产甲烷古菌,细菌似乎与甲烷生产,生产氢作为中间。生物量密度变化很大一部分的碳电极覆盖着密集的生物膜,而只有群细胞被发现在其他部分。根据我们的结果,我们将讨论如何培养液浓缩和改变操作条件可能有助于增加对微生物生物量密度和选择产生甲烷。

1。介绍

在实验系统(BES)、微生物催化氧化和还原反应生产或使用电力。最近,它已经发现微生物可以接受电子从一个电极(1]bioremediate金属和有机污染物或微生物电合成生产燃料和化学品。利用微生物作为催化剂在电极上而不是化学催化剂是创新和可持续发展;微生物、能够自我再生,喜神贝斯可以在环境条件(在中性pH值和低的温度),可以使用和低成本的碳电极(2,3]。微生物电合成喜神贝斯被描述的生产,例如,氢[4)、过氧化氢(5),碱(6),醋酸和2-oxobutyrate7,8)、乙醇(9],[铵10,丁酸盐11),或己酸酯,辛酸盐(12]。

另一个有吸引力的应用微生物的转化是电合成有限公司₂在甲烷(13]。除了生产甲烷碳中性,喜神贝斯可以将多余的可再生电力从太阳能和风能转化为甲烷作为能量载体(13]。此外,运输的基础设施、储存和消耗甲烷已经到位(13]。

改善性能的产甲烷喜神贝斯,到目前为止主要是关注喜神贝斯设计(14- - - - - -17]。然而,另一个关键的挑战是了解产甲烷微生物群落为了提高甲烷产量和能源效率(18]。微生物联盟(类型的微生物、社区组成和微生物之间的相互作用)和生物量密度(在指定的电极表面微生物的数量或参与这些过程的反应器体积)会影响产甲烷biocathodes[的性能18]。选择电化学微生物产生甲烷和操作的BES在最有利的条件下选择微生物可能有助于进一步提高性能的产甲烷BES (18]。

产甲烷的微生物组成biocathode使用丰富文化作为培养液是几乎没有记录8,13]。程和同事得到一个丰富的混合培养产甲烷biocathode接种后阴极与现有的污水bioanode [13]。因此,预先知道,电化学微生物生物膜中。丰富的产甲烷biocathode由财团主导甲烷细菌属palustre占细胞总数的86%。一个biocathode接种一个纯粹的文化m . palustre然而,产生更少的甲烷的混合培养biocathode [13]。其他检测微生物群落成员的角色在甲烷生产没有调查。马歇尔和同事得到一个丰富的混合培养产甲烷biocathode接种后的阴极与啤酒厂废水污泥预处理−0.59 V与新人道阴极在这种潜在的潜力,产生甲烷(8]。产甲烷的微生物群落biocathode由产甲烷菌有关甲烷细菌属sp(> 93%)和Methanobrevibacter(~ 5%)和细菌有关Sphingobacterialeswchb1 - 69家庭(37.7%)螺旋体科家庭(17.4%),和Synergistaceae家庭(11.1%)(8]。有可能是细菌有关Sphingobacteriales家庭实验催化制氢(8),但其它细菌的作用并不是调查。

尽管产甲烷的微生物群落biocathodes之前被描述,可能检测到甲烷产量的社区成员的角色仍不清楚。在这项研究中,电化学性能和微生物群落的研究了混合培养产甲烷biocathode照亮的可能作用检测到甲烷产量的社区成员。

2。材料和方法

2.1。电化电池

平板电化学电池(1.24 L总量)使用阴极和阳极的0.62 L(更详细地描述19]),使用阳离子交换膜(fumasep FKB, FuMA-Tech GmbH,德国)。石墨阳极和阴极的感觉(19×19厘米,厚度3毫米FMI复合材料有限公司,苏格兰)拥有一个有效的几何通道面积290厘米²每一个。的电解质流动平行于电极通过蛇形流渠道在阳极和阴极隔间(图1)。阳极和阴极室配备一个Ag / AgCl, 3 M氯化钾参比电极(+ 0.205 V和新人道;ProSense气、荷兰)。参比电极是连接到一个玻璃毛细管的膜提示插入顶部的阴极附近的插座(玻璃毛细管的定位从石墨毡5毫米;图1)。阴极顶部空间被连接到一个天然气流量计(MilliGascounter,里特,德国)通过注射含有隔港。阴极顶部空间平均成交量750±250毫升多样由于阴极电解液的分批的喂养。实验是在一个温度控制在30°C室。

2.2。电解质和微生物

50 mM的阳极电解液由亚铁氰化钾(II)在去离子水。阳极电解液循环结束了10 L船在1.5毫升/ s和补充16天,28岁,而49避免损耗的捐赠者。20毫米的阴极电解液由磷酸钾缓冲,营养素(280 mg / L NH₄Cl, 5.7 mg / L CaCl₂,10 mg / L MgSO₄h·7₂啊,和90 mg / L MgCl₂h·6₂O), 1毫升/ L的微量元素的解决方案,和1毫升/ L维生素的解决方案中描述的20.]。的阴极电解液5 g / L NaHCO₃添加碳源,操作条件的pH值7日以来公司吗₂主要是现在的碳酸氢盐。阴极电解液循环结束了0.5 L船在1.5毫升/ s。为了避免衬底的损耗,每两到三天250 - 350毫升阴极电解液的电化学电池取代250毫升新鲜连续冲洗氮气下阴极电解液。5克的阴极是接种厌氧污泥获得从一个上流式厌氧污泥层反应器处理酒厂废水(来自于酒精生产商皇家内达尔科公司、荷兰)。接种后,系统刷新与纯氮(> 99.9992%)30分钟前应用电池电压和启动试验。阴极电解液的pH值控制在酸碱7±0.1由一个控制器(Liquisys CPM 253, Endress +豪泽,瑞士)使用1 M盐酸。

2.3。电化电池操作

电化电池连接到一个稳压器(MCP94、银行Elektronik智能控制GmbH,德国)使用作为二电极配置的阴极连接到工作电极,阳极连接对电极和参比电极。从一开始,电化电池操作在阴极电位−0.7 V和新人道,作为在这个阴极潜在甲烷可以同时产生直接或通过氢作为一种中间(21]。从那一刻,只有甲烷和未发现氢阴极气相(24天),阴极电位改为−0.6 V和新人道减少电化电池的能量输入。阴极电位控制通过中描述的电池电压(17]。电池电压调整时阴极势> 20 mV偏离期望的阴极电位。实验终止57天,由于泄漏在阳极。

2.4。分析和计算

电化学电池连接电脑通过一个Fieldpoint fp - ai - 110模块(美国国家仪器),每隔60秒电池电压,电流,阴极和阳极电位测量使用虚拟仪器7.1(美国国家仪器)。每日平均计算和报告。

阴极气体组分的气相以天0,12日,24日,33岁,51岁,和57两种不同气测量甲烷、氢和氧。100年天然气采集标本μL不漏气的注射器(美国汉密尔顿)注射口附近的气体流量计。氢与惠普5890 a气相色谱仪测定注射100μL气样的molsieve列(30 m×0.53毫米×0.25毫米)与热导检测(TCD)。烤箱温度是40°C,注入门110°C, TCD是150°C。承运人气体氩,20毫升/分钟的流量。甲烷和氧气测量Finsons仪器GC 8340气相色谱仪。天然气(100μL)在molsieve分裂(1:1)列(30 m×0.53毫米×25毫米)和PoraBOND Q列(25 m×0.53毫米×10毫米)。烤箱温度是40°C,注入门110°C, TCD是90°C。载气是氦,45毫升/分钟的流量。气体组分测量后立即补充阴极电解液和前下一个阴极电解液补给。阴极电解液补充库存之间的时间是2 - 3天。天然气生产是连续测量气体流量计(Milligascounter,里特,德国)。甲烷产量计算使用天然气总产量和测量甲烷分数,如(22]。

比较甲烷生产速度与文献报道,所有利率计算在标准温度和压力(STP, 273.15 K和1 atm)和对预测阴极表面积(1)或反应堆总额(2)根据 在哪里是甲烷生产速度STP (L CH₄/ m²预计每天阴极或L CH₄每天/ L反应器),是累积甲烷气体生产(左)在样本时间吗,是预计阴极表面积(0.029米²),是反应堆总额(1.24 L),是时候,是在这项研究中使用的温度(303 K),是在这项研究中使用的压力(1.005 atm),然后呢和STP的温度和压力,分别为273.15 K和1 atm。阴极电子的效率,效率的捕获电子电流的甲烷,是计算在17]: 在哪里法拉第常数(96485 C /摩尔),是电子的摩尔每摩尔的甲烷(8摩尔CH₄),摩尔体积(22.7 L /摩尔在273.15 K和1 atm),当前的(A),是时候(年代)。

2.5。微生物产甲烷Biocathode的表征

实验结束时(57),阴极是切成1×1厘米的样本²。这些样品被用来描述微生物产甲烷biocathode了。样本在三个不同的地点在阴极:在阴极电解液进入电化电池(称为“入口”),阴极的中心(简称“中心”),和阴极电解液的电化学电池(称为“退出”)。样品的位置在图表示1。

微生物出席biocathode被确定使用下面描述的分子技术。挥发性悬浮固体的量(VSS)量化使用修改后的Hartree-Lowry蛋白质分析。微生物的形态和分布在biocathode被荧光显微镜和扫描电镜可视化。

2.5.1。微生物群落分析

社区分析Nadicom GmbH微生物学(德国)的服务。总基因组DNA提取1×1厘米²阴极样品高流区(图1)的中心从AppliChem biocathode使用DNA提取工具(德国)根据制造商的指示。PCR扩增细菌16 s rRNA的基因进行了相应标准操作程序(SOP) AD-01,使用引物27 f - 1492 r (23]。PCR扩增的协议是初始变性5分钟在95°C,紧随其后的是28日周期的变性(20秒94°C),退火(30秒55°C),和扩展在72°C(60秒),紧随其后的是最后一个扩展在72°C(10分钟)。的扩增子存储8°C到进一步分析。产甲烷古菌的鉴定(表示“产甲烷菌”的手稿),PCR进行相应的SOP AD-01-1 (24),使用底漆Ar109f和Ar907r放大古细菌16 s rRNA。PCR扩增的协议是初始变性5分钟在94°C,紧随其后的是28日周期的变性在94°C(60秒),退火(60秒52°C),和扩展在72°C(90秒),紧随其后的是最后一个扩展在72°C(6分钟)24]。样本储存在4°C到进一步分析。古细菌和细菌PCR扩增子是纯化PCR ChargeSwitch清理设备(美国英杰公司)根据制造商的指示和克隆大肠杆菌JM109使用威尼斯平底渔船TA克隆工具(美国表达载体)。蓝色/白色筛选后,积极的殖民地被转移到包含100磅的媒介μg / mL氨苄青霉素,一夜之间成长在37°C。质粒DNA分离使用PureLink快速质粒Miniprep工具包(美国英杰公司)根据制造商的指示。PCR检查产品质量通过琼脂糖凝胶电泳(1%)和溴化乙锭染色。PCR产品尺寸为1.7 Kb筛选与特定使用酶消化MSP1。克隆显示一个独特的乐队通过循环测序序列模式。获得的序列与参考序列在NCBI BLAST数据库(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/)。得到系统分类与参考序列的相似程度。序列检索在这项研究可加入数字KC821541-KC821549基因库数据库中。

2.5.2。修改Hartree-Lowry分析

修改后的Hartree-Lowry方法用于确定蛋白浓度每米²biocathode为了量化生物量密度(表示为挥发性悬浮固体(VSS) / m²预计阴极表面积)。修改后的Hartree-Lowry方法应用于two-entrance样本,双中心样本,和two-exit样本调查影响微生物细胞浓度(图上的位置1)。对所有样本,样本的确切面积测量。每个样品被转2毫升瓶,悬浮在1毫升1 M氢氧化钠,混合30秒,以确保生物质被停职,而不是连接到石墨的感受。瓶是在46°C 35分钟水解细胞,和示例1毫升1 M盐酸中和随后。样本再次混合30秒。暂停是过滤2μ滤纸(绘画纸589/3,通用电气医疗集团,英国)分离水解细胞从石墨纤维。0.5 mL滤液,2.5毫升洛瑞过滤介质(19.6 g / L Na₂有限公司₃,0.20 g / L Na₃C₆H₅O₇和0.1 g / L CuSO₄h·5₂O)补充说,解决方案是混合。15分钟后,0.25毫升Folin-Ciocalteu酚试剂添加到解决方案,解决方案是混合大力。25分钟后,解决方案是spectrophotometrically分析在650 nm (XION 500分光光度计,哈希兰格GmbH德国)。VSS生物量密度(g / m²预计阴极表面积)是根据计算 在哪里spectrophotometrically分析蛋白质浓度来自校准测量的牛血清白蛋白作为参考蛋白(g / mL),spectrophotometrically的样本总量分析(3.25毫升),4是原样品的稀释因子,0.25 g蛋白g VSS的转换,然后呢biocathode样品的表面积(m²)。

2.5.3。荧光显微镜

产甲烷古菌低电位电子载体辅酶F_420年暴露于紫外线时发出蓝绿色的自发荧光的波长420 nm。因此,后立即拆除产甲烷BES(57),两个样品的高流量区biocathode的中心(图1)紫外荧光显微镜下观察(徕卡DMR FC4与徕卡显微镜DFC340 FX相机,德国)与过滤器立方体I3来识别活跃的产甲烷菌的存在。3 d结构和3毫米厚度的石墨毡电极使它不可能观察到完整的biocathode紫外荧光显微镜下。因此,从石墨毡电极和石墨纤维被紫外线荧光显微镜下观察。

2.5.4。扫描电子显微镜

两个样品从较低的流区(阴极是位于一个死区)和两个样本的高流区(阴极流的直接接触了部分通道)的中心biocathode(图1使用扫描电子显微镜)进行了分析。biocathode样品固定2小时2.5%戊二醛在PBS(130毫米氯化钠在10毫米磷酸盐缓冲剂pH值7.2)。固定后,样本与PBS洗3次,每次15分钟清洗步骤。样本脱水通过一系列的乙醇浓度增加浴:10、25、50、75年,和90% (v / v),每20分钟,最后在100% (v / v)乙醇30分钟。样品在干燥器干燥最后溅射涂上了金色5纳米薄层在高真空下可视化地产- 6480 LV扫描电子显微镜(日本Jeol)在10 kV电压加速。

3所示。结果与讨论

3.1。产甲烷Biocathode的性能

当前消费开始后直接应用阴极电位的实验。电流密度增加到1.6 / m²预计阴极(24天,图2(一个))。仅仅24天,甲烷和未发现氢阴极气相,表明一个活跃的产甲烷biocathode。24天,阴极电位从−−0.6 V和0.7 V新人道。后改变阴极电位,电流密度是相当恒定的,平均每天为0.60±0.16 / m²预计阴极。

随着电流消耗,在阴极产生氢气和甲烷。12天,只有氢(35.7% H₂(v / v))中检测出阴极顶部空间。24天,只有检测到甲烷的阴极顶部空间(29.5% CH₄(v / v))。最大甲烷产量为5.1 L CH₄/ m²预计每天阴极(119毫升CH₄每天/ L反应器在标准温度和压力,STP)−0.7 V和新人道阴极电位(1.6 /米²天24;图2 (b))。最大甲烷产量为3.0 L CH₄/ m²预计每天阴极(69毫升CH₄每天/ L反应器,在STP)−0.6 V和新人道阴极电位(0.9 /米²,51天;图2 (b))。

阴极电子的效率,效率的捕获电子电流的甲烷,从实验的开始增加从0%(0)到6%(12天)到99%(24日)在−0.7 V和新人道阴极的潜力。如果包括在12天产生的氢,阴极电子的效率会增加至49%,假设4摩尔的氢需要每摩尔的甲烷。后改变阴极潜力−0.6 V和新人道,阴极电子效率是92±29%(现年51岁的平均天数:33和57)(图2 (b))。阴极的效率> 100%已报告之前14,17),解释了生物质降解和氧化17)或氧化的碳存储在生物质(25]。

报道甲烷生产速度的产甲烷biocathodes BES之间0.12和24 L CH₄/ m²预计每天阴极(0.07 - 15 A / m²)≤−0.55 V和新人道阴极电位(表1)。biocathode的甲烷生产速度和电流密度的范围在本研究报告甲烷生产速度和电流密度。几乎所有的报道研究使用未定义的丰富或混合文化作为产甲烷biocathode培养液。在这些研究中,微生物种群并没有分析。因此,目前尚不清楚如何微生物群落组成产甲烷biocathode的性能的影响,并通过机制产生了甲烷。优化BES、甲烷产量的关键挑战是选择产生甲烷的微生物在高速度和操作喜神贝斯在最有利的条件下(18]。因此,这项研究调查了在产甲烷微生物群落biocathode实验甲烷产量及其可能的作用。

3.2。Biocathode产甲烷微生物群落的特征

样本biocathode被用来描述微生物群落的组成。出席的微生物产甲烷biocathode报道在表的中心2。三个六phylotypes phylotypes古生菌和细菌产甲烷biocathode被确定。

古细菌16 s rRNA hydrogen-consuming基因序列是相同的甲烷细菌属palustre应变DSM 3108 (98%, KC821542和KC821543)和hydrogen-consuming甲烷细菌属aarhusenseKC821541应变H2-LR (96%)。

细菌16 s rRNA基因序列相似MethylocystisKC821549星际2 sp。星际2株(98%),Acidovorax caenir - 24608或压力Hydrogenophaga caeniKC821548应变EMB71 (98%),脱磷孤菌属putealisKC821546应变B7-43 (97%),Petrimonas sulfuriphilaKC821544应变BN3 (96%;95%,KC821545),Ottowia thiooxydansKC821547 (95%)。

3.3。可能的微生物实验甲烷产量的作用

分析了产甲烷biocathode在这项研究包含三个phylotypes古生菌:两个phylotypes密切相关甲烷细菌属palustre,和其他phylotype有关甲烷细菌属aarhusense。甲烷细菌属palustre可以使用氢气作为电子供体(26),虽然直接使用电极的捐赠者也被建议(13]。甲烷细菌属palustre曾被视为主要的微生物,占细胞总数的86%,在混合培养产甲烷biocathode接种污水的bio-anode美联储乙酸(13]。甲烷细菌属aarhusense只能使用氢气作为电子供体27]。实验生产氢的报道以前在本研究中使用的阴极电位(28]。很可能phylotypes密切相关m . palustre和m . aarhusense氢气作为电子供体用于实验生产的甲烷。在实验的开始,在阴极气相氢检测,没有发现氢阴极气体一旦biocathode发达。在实验装置,它不能区分是否m . palustre还利用电极作为电子供体。

细菌的产甲烷biocathode包含六个phylotypes。细菌鉴定biocathode中可能与实验有关的生产甲烷是密切相关的脱磷孤菌属putealis,Hydrogenophaga caeni,Methylocystissp . .脱磷孤菌属putealis是一个严格的厌氧微生物能够利用氢、有机酸、或酒精作为电子供体和硫酸盐作为电子受体(29日]。然而,这只会增加与氢气作为电子供体当醋酸作为碳源(提供29日]。几个脱磷孤菌属sp。实验能够催化制氢在阴极电位≤−0.44 V和新人道(例如,2,3])。在研究中,应用阴极电位≤−0.6 V和新人道,在范围的应用潜力脱磷孤菌属据报道,sp.电化学。因此,我们假设phylotype密切相关d . putealis可能产生的氢,从而可以被产甲烷菌产生甲烷。未来的研究可以专注于生产甲烷的实验m . palustre的存在和缺乏d . putealis为了确定后者的作用。

Hydrogenophaga caeni是一种好氧微生物,能够使用氢气作为电子供体,然而,只有当一个有机碳源提供(30.,31日]。Hydrogenophagasp.也被发现在hydrogen-producing biocathodes [32在制氢),但他们的作用仍不清楚。的phylotype密切相关Hydrogenophaga caeni可能催化制氢或可能是一个除氧剂,建立严格的缺氧条件下,产甲烷古菌是必不可少的。

Methylocystissp.是兼性好氧微生物能够利用甲烷作为唯一碳源和能源(33]。phylotype显示相似Methylocystissp.可能消耗甲烷的一部分,从而降低了甲烷产率。然而,随着氧清除剂,它也将创造缺氧条件,产甲烷古菌的增殖至关重要。另一个可能是一个氧清除剂phylotype密切相关Acidovorax caeni。Acidovorax caeni是一种兼性好氧微生物能够利用羧酸作为碳源(34]。氧气在阴极气相浓度0.6 - -3.5%。在这些氧气浓度,需氧细菌作为氧气拾荒者有一个生理优势而严格的厌氧菌。这种生理优势是由于更高的氧减少水和还原电位,例如,二氧化碳减少甲烷,分别为1.229 V和新人道(35和0.169 V和新人道13)(STP和1米或1 atm参与反应的所有组件)。

的一些细菌phylotypes,实验在甲烷生产仍不清楚。例如,Ottowia thiooxydans是一种兼性厌氧微生物能够利用硝酸盐或亚硝酸盐的增长和能够氧化硫代硫酸盐和硫酸氢36]。同时,Petrimonas sulfuriphila是一个严格的厌氧微生物能够利用糖作为碳和能源,能够减少与氢硫化物硫(37]。

在这项研究中,洞察的作用给出检测甲烷产量的社区成员。而确定16 S rRNA序列很可能在我们的研究中也有类似的衬底偏好作为他们的近亲,未必是这样。

24天后,只biocathode产生甲烷和氢气。此启动时间类似于报道为产甲烷biocathodes启动时间,也就是说,28天−0.59 V阴极电位(8)和一个月−0.8 V阴极电位(13]。初始化产甲烷biocathode 33天后,产甲烷的微生物群落biocathode研究(实验的57天)。虽然电流密度是相当稳定的启动后(0.6±0.15 /米²预计阴极,图2(一个)只)和甲烷检测,目前尚不清楚是否稳定的微生物群落。

3.4。Biocathode微生物的形态和分布

显微技术被用来给洞察biocathode微生物种群的分布。与荧光显微镜、活跃的产甲烷菌的存在biocathode可以显示(数字3(一个)和3 (b))。观察到的微生物是杆状的1 - 3μ与几米长细胞,超过5μm。这些细胞被附着在石墨毡作为单个细胞或一个个独立王国(数字3(一个)和3 (b))。而荧光显微法通常用于显示活跃的产甲烷菌的存在,应该注意的是,它也可能揭示的存在降低了细胞色素的细菌(38]。

扫描电子显微镜(SEM)显示各种biocathode杆状的微生物,不同杆的形式(包括直棒和螺旋形棒观察),形成纤维的能力,他们的大小(数字3 (c),3 (d),3 (e))。观察到棒的长度< 1之间变化μ米和10μm。观察到杆长度是杆状的产甲烷古菌的类似于荧光显微镜(数据图3(一个)和3 (b))。没有明确的关系观察biocathode内的形态和位置。杆状的微生物不同的大小从1到5μ米也被观察到以前的混合培养biocathode同时产生醋酸和甲烷(8]。

SEM还透露,部分石墨毡覆盖着密集的生物膜(图3 (c)),而石墨毡的其他部分只覆盖着的细胞(数字3 (d)和3 (e))。都观察到低流量区(阴极是位于一个死区)和高流区(阴极在连续接触流动通道的一部分)。内部积累的气体(甲烷和氢气)和石墨毡电极附近的附件可能是一个障碍,从而阻碍生物膜的形成。另一个可能的解释是更大的细胞聚集,包括有氧和厌氧产甲烷菌微生物作为氧气食腐动物,需要创建所需的严格的缺氧条件下产甲烷菌。的缺失部分的生物量电极也可以解释为当地的电子供体(如氢气)在电极附近。只要产甲烷菌获得电子给体远离电极,不需要附加电极,将电极作为电子供体。

3.5。在产甲烷Biocathode生物量密度

根据修改后的Hartree-Lowry分析,发现产甲烷biocathode包含平均55.6±11.9 g VSS / m²预计阴极(样本)。这VSS密度是bio-anodes的VSS报道密度范围,8 - 66 g VSS / m²预计阳极面积(39]。这是第一个研究报告为产甲烷biocathode VSS密度。VSS密度和生物量密度相似在不同的位置biocathode: 57和68 g VSS / m²预计阴极(样本)阴极电解液进入了BES、49和65 g VSS / m²预计阴极(样品)的中心biocathode, 39岁和60 g VSS / m²预计阴极(样本)阴极电解液离开了喜神贝斯。没有明确的关系观察biocathode生物量密度和位置。与当前试验装置,它不能确定是否所有生物质是活跃的。活跃的生物的密度是一个重要参数,提高转化率。

3.6。微生物和电化学方法来提高产甲烷Biocathode的性能

甲烷生产速度可以提高通过选择甲烷的微生物参与生产或创造为甲烷生产的最优条件。选择策略,可以使用(i)丰富培养液接种之前,(ii)添加纯文化甲烷细菌属palustre和甲烷细菌属aarhusense混合培养的培养液给他们一个竞争优势在biocathode启动,(3)调整操作条件为首选微生物最适生长条件,及(iv)刺激增长的协同实验细菌可能参与沼气的产量。方法来丰富培养液接种之前包括越来越多的微生物群落与电极或氢气作为电子供体,在批处理与多个喂养实验周期或通过使用良好的污水BES (8,13,16,21,40,41]。本研究表明,phylotypes密切相关甲烷细菌属物种产生甲烷最终产品的首选。孤立的甲烷细菌属物种和测试作为一个纯粹的文化将是第一步验证如果这些产甲烷菌甲烷生产中扮演一个角色在biocathode预期。基于这些结果,增强细胞的数量甲烷细菌属物种可以增加甲烷产率的策略。优化操作条件,如阴极电位,阴极电解液的pH值、温度、和矿物成分已知积极影响BES性能(18]。这两个m . palustre和m . aarhusense嗜温菌;m . palustre有其增长最佳37°C (pH值7)(26),m . aarhusense在45°C (pH值7.5 8)(27]。因此本研究中使用的温度和pH值低于最优条件m . palustre和m . aarhusense。通过调整温度和pH值为产甲烷菌的最佳生长条件,电化学活性细菌和细菌作为氧气食腐动物,甲烷生产利率可能会进一步增加。最后,本研究表明细菌,如脱磷孤菌属putealis实验,可能参与甲烷生产通过生产氢的中间。协同细菌和产甲烷古菌之间的关系也证明了程和同事,那些报道,产甲烷biocathode由混合文化甲烷细菌属palustre比纯粹的文化biocathode执行甲烷细菌属palustre(13]。刺激协同生长的细菌,通过增加细胞数量在接种或通过调整操作条件,可能是实验可行的策略来进一步提高沼气的产量。

除了选择甲烷的微生物参与生产,增加生物量密度可能会进一步提高甲烷产量。这个研究表明,阴极只是部分地覆盖着微生物。可能,提高阴极的覆盖率与生物量,增加生物量密度将改善性能的产甲烷biocathode [18]。过多的电子供体(如氢气)附近的电极就不必要的产甲烷菌附着在电极上。生物量密度可以增加生长暂停产甲烷生物质能在惰性载体材料,阴极电解液。此外,生物膜的形成可能是阻碍由于积累的气体(甲烷和氢气)内部和附近的石墨毡电极。在这项研究中,阴极电解液的流动与阴极。使用材料电极导致改善传质气体远离电极和基质对电极(42),并可能因此产生提高了生物膜的形成。生物质覆盖也可以通过改变阴极表面或增加阴极电解液成分提高微生物的附件。细菌在自然系统通常有一个净负电荷在细胞表面,导致负带电表面静电排斥,如阴极(43,44]。然而,细菌能够调整细胞表面特征(电荷和疏水性)取决于环境44,45]。因此,长时间的操作可能提高细菌粘附。细菌粘附也可以提高通过改变阴极表面的性质,如疏水性、和改变阴极电解液成分,例如,pH值和电导率(例如,43,46])。另一种方法来提高生物量密度的电极将应用高剪切(47]。除了改善传质和更有效的利用阴极表面积(42),使用一个更紧凑biocathodes flow-through-electrode结果。

4所示。结论

产生甲烷的产甲烷得到biocathode最大速率为5.1 L CH₄/ m²预计每天阴极(1.6 /米²)−0.7 V和新人道阴极电位和3.0 L CH₄/ m²预计每天阴极(0.9 /米²)−0.6 V和新人道阴极的潜力。产甲烷的微生物群落biocathode是由三个六phylotypes phylotypes古生菌和细菌。古细菌phylotypes最密切相关甲烷细菌属palustre和甲烷细菌属aarhusense。这项研究表明,除了产甲烷古菌,细菌可以通过生产支持甲烷生产氢中间或氧清除。

利益冲突

作者没有直接金融与商业身份的论文中提到可能会导致利益冲突。

确认

谢谢伯特Hamelers的富有成果的讨论,作者阿斯特丽德Paulitsch-Fuchs和阿里Zwijnenburg帮忙扫描电镜,马丁的遗产对他的帮助与自体荧光显微镜,Christel坎普曼为她帮助Hartree-Lowry蛋白质分析,为她和诺拉·萨顿帮助提交核糖体rna序列基因库和纠正。