间歇通电改善微生物电解池辅助的餐厨垃圾和菌糠的嗜热厌氧共消化
章 爽1，关伟杰1，孙海曙1，赵 盼1，王万清2，高 明1，孙晓红3，汪群慧1,2
（1.北京科技大学 能源与环境工程学院，北京 100083；2.北京科技大学 天津学院，天津 301811；3.北京市农林科学院 农业生物技术研究中心，北京 100097）
译者：章 爽；审查：汪群慧；单位：北京科技大学
论文来源：Bioresource Technology. 2023， 370，128577. Intermittent energization improves microbial electrolysis cell-assisted thermophilic anaerobic co-digestion of food waste and spent mushroom substance. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.128577
厌氧发酵；电活性微生物；胞外电子转移；基因丰度；微生物群落
电活性微生物在间歇性通电18 h-ON时富集；
与底物和丙酮酸代谢相关的基因在18 h-ON中上调；
18 h-ON增强了氢营养产甲烷途径；
18 h-ON的净能量效益和能量转换效率最高。
【背景】
餐厨垃圾与菌糠分别是城市和农业固体废物的重要组成部分。餐厨垃圾与菌糠的厌氧共消化比单独使用餐厨垃圾作为厌氧消化（AD）的底物更能平衡营养成分且具有更高的稳定性。但菌糠用作厌氧消化的共基质通常存在水解速度慢、产甲烷效率低的问题。微生物电解池辅助嗜热厌氧消化(MEC-TAD)是一种很有前景的提高厌氧共消化效率的方法，但其应用受到高能耗的制约。因此，本研究旨在探讨间歇通电对微生物电解池的餐厨垃圾与菌糠嗜热共消化系统的影响。
实验采用间歇式有机玻璃厌氧反应器，碳纤维刷作为反应器的阳极、碳布作为阴极。Ag/AgCl参比电极放置在距阳极约1 cm处。电极通过直径0.5 mm的铜线固定供电，铜线连接到电化学电源，为反应器提供2 mA的恒电流。在4种不同条件下进行反应。首先，设置有电极但没有电源的反应器作为对照(称为0 h-ON)。然后，设置电流每天连续施加24 h(称为24 h-ON)或每天间歇施加12 h和18 h组(分别称为12 h-ON和18 h-ON)。
间歇通电时间为18 h-ON时，电子转移速率最快，甲烷产率最高(364.3 mL/g，以VS计)。机制分析表明，18 h-ON可使电活性微生物富集，并增加能量代谢(NTP、NUO、ATP)、电子转移(pilA、nfrA2、ssuE)和与氢营养型产甲烷途径相关的酶编码基因的丰度。能量平衡分析表明，18 h-ON的净能量效益最高(2.52 kJ)、能量转换效率最高(110.76%)。因此，使用18 h-ON的间歇通电MEC-TAD可以提供更好的产甲烷和节能性能。
本研究考察了不同时长间断通电方式（0 h-ON、12 h-ON、18 h-ON和24 h-ON）对微生物电解池辅助嗜热厌氧消化的影响。相比于不通电条件(0 h-ON)，连续通电(24 h-ON)和间歇通电(12 h-ON、 18 h-ON)都能在一定程度上改善性能。然而18 h-ON具有最高的甲烷产率、电子传输速率和能量回收效率。18 h-ON富集了电活性微生物，提高了能量代谢及电子转移和与氢营养型途径相关的酶编码基因丰度。研究结果可为MEC-TAD系统采用间歇发电技术提高其能源利用率提供科学依据，为节能和经济可持续发展提供新思路。
编发：王雅楠；校对：刘冬梅；审核：张艺
