胞外聚合物引发氧化还原介质的增加以增强污泥甲烷基的生成外文翻译资料

 2022-08-26 16:48:17

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胞外聚合物引发氧化还原介质的增加以增强污泥甲烷基的生成

Extracellular polymeric substances trigger an increase in redox mediators for enhanced sludge methanogenesis

Andong Hu a, Xiaoyuan Cheng a, Chao Wang a, Li Kang a, Piao Chen a, Qiuxiang He a,Guangming Zhang b, Jie Ye a,*, Shungui Zhou a

摘要：人工氧化还原介质可用于提高污泥甲烷生成过程中的电子转移效率，而这些人工氧化还原介质可能存在成本高、不可生物降解等缺陷。 对于大规模商业应用，应开发更具成本效益和有利于环境的替代品。 在此，研究了胞外高分子物质(EPS)作为天然氧化还原介质用于改善生成甲烷的能力。 与不添加EPS的控制试验相比，甲烷(CH4)生产收率提高了83.5%plusmn;2.4%，EPS用量为0.50g/L，滞后期缩短了45.6%plusmn;7.0%，污泥脱水性增强。光谱电化学测试表明，EPS的加入显著改变了不同氧化还原活性基团的强度，降低了电荷转移电阻，提高了细胞外电子转移效率。由于蛋白酶活性的增加，这些氧化还原活性基团主要来自污泥蛋白的增溶和水解，从而导致酸化步骤中乙酸浓度较高。 进一步的研究表明，EPS的加入也提高了乙酰营养和氢营养产甲烷菌的活性，这表明甲基辅酶M还原酶(MCRA)基因的alpha;亚基丰度较高，增强了CH4生产。 这项工作为利用高效添加剂改善污泥厌氧消化提供了一种新的策略。

关键字：细胞外高分子物质，氧化还原介质，污泥蛋白质，产甲烷

引言：

城市污水处理厂往往会产生大量废活性污泥，存在严重的环境风险[1]. 厌氧消化是一种很有前途的污泥处置绿色技术，由于其独特的优点，如沼气的回收利用，主要由能量载体甲烷(CH4)组成，热值高达890kJ/mol[2]。随着人们对用沼气替代天然气的兴趣越来越大，CH4广泛关注，厌氧消化过程中的生产已成为近年来的一个重要研究热点。

厌氧消化过程中，甲烷的生产步骤中需要不同的微生物，其中营养物之间的电子转移效率是一个关键因素，例如有机物的氧化和二氧化碳(CO2)的减少[3]. 广泛的研究表明，导电材料的加入，如铁载体和碳载体材料有效地提高了电子转移效率，进而增强了甲烷生成效率[4][56]。 然而，这些导电材料通常粒径较小，难以再利用，并可能导致潜在的环境风险[5]。 例如，导电Fe2o3 纳米材料可以附着在细胞表面或进入细胞，从而导致细胞穿孔和内部代谢紊乱[6]. Freixa等人[7]还报告说，由于生物累积和生物放大，碳纳米颗粒具有潜在的毒性长期环境影响。 为了克服导电纳米材料的不足，人工氧化还原介质已被用作降低AQDS等厌氧消化系统活化能和提高电子转移效率的可能替代品[8]。 然而，这些人工氧化还原介质的生产在经济上是不可行的，并可能导致二次污染，它们难以被生物降解 [9]。 因此，应开发更具成本效益和有利于环境的替代品，以改进厌氧消化过程。

细胞外聚合物(EPS)是由微生物分泌的天然聚合物[10]. [11]肖等人证实了EPS的组分通过电子跳跃等不同的机制介导电子转移过程。重要的是，EPS在可持续生产和生物降解性方面具有竞争优势。EPS的代谢产物主要由天然、无毒的单糖、氨基酸和核苷酸组成，可作为营养短缺时微生物生长的碳和能源[12]。 这些观察激发了我们探索EPS作为甲烷发生的天然氧化还原介质的潜力。 特别是，在污泥厌氧消化过程中有必要研究EPS作为CH4的代表性外部添加剂的功能机制。

因此，本研究选择EPS作为天然氧化还原介质，探讨其在污泥厌氧消化过程中甲烷生成的积极作用。 我们在把EPS加入厌氧消化系统后对CH4的生产性能和电化学性能的变化进行了评价。 此外，EPS对污泥厌氧消化过程中不同步骤的影响也较大，这个研究希望通过使用一些环保添加剂来增强污泥厌氧消化。

2.材料和方法

2.1材料

接种污泥是从实验室规模的厌氧消化器中获得的。 废活性污泥取自污水处理厂（福州，中国）作为基质。新鲜污泥经重力沉降加厚后储存在4处。保持其新鲜度。基质污泥的主要特征是：可溶性化学需氧量(SCOD)为10.60plusmn;0.36克/升，总化学需氧量40.64plusmn;1.1克/升，总固形物(TS)为42.46plusmn;0.86g/L，挥发性固体(VS)为28.46plusmn;0.59g/L，pH为7.25plusmn;0.20。采用阳离子交换树脂法从废活性污泥中提取EPS [13] (Froslash;lund等人，1996年)。 EPS的特点是：可溶性蛋白质含量296.422.35毫克/升，可溶性碳水化合物含量75.94plusmn;1.62毫克/升，腐殖酸含量为98.632.56毫克/升。然后，将提取的EPS溶液冷冻干燥，制备EPS粉末作为外部添加剂。

基于初步实验的结果(图1)。 在100mL厌氧血清瓶中加入两剂EPS粉末(10mg(0.25g/L)和20mg(0.50g/L)，以10mL接种污泥和30mL基质污泥构建EPS补充反应器。 然后，所有的瓶子都用氮气鼓泡30分钟，用橡胶塞子盖住，并放置在恒温培养箱(352◦C)搅拌速率为100转/分钟，持续15天。作为对照，在相同条件下也进行了不添加EPS的实验。为了了解EPS添加对污泥厌氧消化不同步骤的影响，包括增溶，水解，酸化，产甲烷等，以此进行相关实验[14]。 简单地说，EPS添加量(0.50g/L)对污泥增溶的影响是通过可溶性蛋白质和碳水化合物浓度的变化来评价的。 详细的实验条件和操作与上述相同，但加入1mL的2-溴乙基磺酸钠(10mM)以防止增溶产物进一步转化为CH4，总发酵时间2天。 然后测定蛋白酶和alpha;-葡萄糖苷酶活性，以确定可溶性蛋白和碳水化合物的水解速率。

氨基酸和单糖是可溶性蛋白质和碳水化合物的重要水解产物，在酸化过程中可进一步生物转化为短链脂肪酸(SCFA)。 为了了解EPS添加对酸化过程的影响，以L-亮氨酸、L-赖氨酸、L-谷氨酸、L-丙氨酸和L-半胱氨酸(各200mg/L)和葡萄糖单糖废水(1000mg/L)为水解产物。 在所有试验中加入污泥(10mL)和EPS(0.50g/L)，并进行与上述相同的实验操作，共4天。

乙酸和甲烷菌加上醋酸盐，再把H2/CO2作为底物是甲烷生产的主要路径， 因此，通过评价EPS的作用，研究了EPS的加入对污泥甲烷发生的影响。在乙酰营养试验中使用乙酸钠(3000 毫克/升)作为底物，总发酵时间为10天，与此同时以此比例混合H2/CO2作为底物（80%：20%），总发酵时间为3天(表 S1)。

2.3分析方法

CH4的累计产量是通过色谱仪配备波拉帕克Q柱（5.00米3.00毫米）和火焰电离探测器 (gc2014， Shimadzu， 日本)，以及修正的Gompertz模型确定的[15]。

其中M是累积甲烷产量(mmol/gVSS)，P是最大CH4 生产收率(mmol/gVSS)，R马克斯 是最大的CH4 生产速率(mmol/gVSSd)，delta;为滞后阶段（天），t为时间（天），e是2.7183。

对TCOD、SCOD、TS、VS和水分含量的分析遵循标准的水和废水检测方法[16]。污泥脱水性能采用毛细管抽吸时间(CST)进行评估，该仪器使用标准CST仪器(304M，Triton，英国)，配备18毫米直径漏斗和沃特曼第17号层析级纸。根据腐植酸、可溶性碳水化合物和可溶性蛋白质的浓度进行评价[17]。 蛋白酶和alpha;-葡萄糖苷酶活性的测定如前面所述[18]。 用气相色谱法测定SCFA浓度，配备10m0.53mm HP-FFAP熔融-二氧化硅毛细管柱和火焰电离检测器(GC2030，岛津，日本)。 COD转化因子为1.07g-COD/g-乙酸、1.51g-COD/g-丙酸、1.82g-COD/g-丁酸、2.04g-COD/g-戊酸、1.50g-COD/g-蛋白和1.06g-COD/g-碳水化合物[19]。

2.4电化学测量

根据前人的研究，在电化学工作站(CHI660D，CH仪器公司，中国)进行了电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安(CV)测试[20]。 分别以两块石墨板(1.6,1.2,0.5cm)作为工作电极和对电极，以饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极。 用Nicolet6700FTIR光谱仪(ThermoFisher，USA)测定了原位傅里叶变换红外光谱(FTIR)，然后用二维相关光谱(2DCOS)对其进行了分析。

    1. DNA样品采集和定量PCR检测

从不同的反应器中收集样品，用于乙酰营养和氢营养甲烷化。总DNA是用快速DNA自旋试剂盒(MP生物医学，Solon，俄亥俄州，美国)获得的。 引物mcrA-F (5′ -GGTATGGAGCAGTACGAGGAGTTC-3′ )和mcrA-R (5′ -GTAGCCGAAGAAGCCGAGACG-3′ )用于扩增甲基辅酶M还原酶(MCRA)基因的alpha;亚基。 用LightCycler进行定量PCR和标准曲线分析reg;96系统（罗什，曼海姆，德国）。qPCR循环程序为：98℃运行30秒。98℃运行15s，运行40个周期，60℃运行20s，然后在72℃运行20秒。mcrA基因的绝对丰度用基因拷贝数来量化。

所有实验均以生物三联进行。 用Students检验评价差异，p值lt;0.05被认为具有统计学意义。

3.结果和讨论

3.1. EPS的加入增强了CH4 生产和污泥脱水性

研究了EPS对污泥甲烷生成的影响。 如图所示表一，甲烷随着EPS用量的增加，生产增强，最大累积CH4 产量增加83.5plusmn;2.4%，在15天之后EPS剂量调整为0.50 g/L(1.56 0.02 mmol/g VSS)。这种现象也比之前研究的成果要好，其中加入0.75g/L氧化铁纳米粒子或2.5g/L生物炭会使甲烷累积量增加约30% [21]。此外，改进的Gompertz模型中的滞后相位持续时间 可以去估计污泥甲烷的产生效率 [22]。 启动时间缩短了45.67.0%，EPS用量为0.50g/L，表明启动过程更快。 结果表明，EPS有效地克服了导电赤泥等其他外部添加剂的限制，其加入改变了微生物适应的微环境，进而减缓了启动过程[23]。

毛细管抽吸时间(CST)可用于评价污泥在不同反应器中的脱水性能。研究发现随着厌氧消化的进行，控制中污泥的CST值逐渐升高(表S2)。 以往的研究也报道了类似的结果[24] [25]，厌氧消化阻碍了污泥的脱水性。 相反，外源性后CST值显著增加在第0天加入EPS(plt;0.05)，这可归因于含有蛋白质和多糖的EPS组分[26]，Yu等人 [27]报道了蛋白质表面含有亲水性基团，如s –NH4 , –COOH, –OH, –SH，有利于吸附污泥絮体中的水。 此外，多糖中的表面官能团，如SO4 2minus; , PO4 3minus; , –COO–，可能导致细菌周围形成水合膜，影响污泥的脱水性[28]。 同时，EPS的加入也可能改变污泥的粒径分布，使污泥更难脱水[29]。 随着厌氧消化的进行，EPS补充反应器中污泥的CST值进一步增加，在第7天达到384.37.5s。 这可能是由于厌氧消化初期微生物的持续生长和富集，触发了EPS的分泌。可以归因于CH2 或CH3与腐殖酸相关的基团[40]，而峰值在1425cm—1可以被指定作为delta;(C-H)，delta;(C-H2)和与nu;(C-H3)相关的以及多糖[41]。 此外，醌类的拉伸振动在1137cm—1是可以检测到的[42]。 重要的是，如图所示(Fig.2B)，峰顶1600cm—1被分成两个1621cm—1小山峰 (nu;s(c–O)与细胞色素c相关)。

表1使用经过改良的贡佩茨模型，为不同反应堆中的甲烷安装数据。

Table 1 Fitting data for methane ac

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