重理工常海星、哈工大任南琪院士团队贺诗欣：光-暗生化耦合驱动垃圾渗滤液进行氢气能源转化过程的微观生物界面行为

近日，重庆理工大学常海星副教授和哈尔滨工业大学任南琪院士团队贺诗欣教授联合在环境领域著名学术期刊Water Research上发表了题为“Enhanced energy recovery from landfill leachate by linking light and dark bio-reactions: underlying synergistic effects of dual microalgal interaction”的论文。本文提出了微藻光合作用与暗发酵的耦合技术，利用混合微藻对垃圾渗滤液（LL）中的养分和化学需氧量(COD)进行有效回收，并通过暗发酵工艺将微藻生物质转化成生物氢和挥发性脂肪酸。本文深入解析了斜生栅藻（SO）与普通小球藻（CV）相互作用的界面协同机制，揭示了胞外聚合物（EPS）在促进无机盐离子向细胞界面运动并被吸收转化过程中起到的积极作用，明晰了多种生物种群相互作用对垃圾渗滤液中能量转换的协同效应。这项工作可能会启发垃圾渗滤液的有效处理和生物能源的生产，同时丰富了多生物协同进行污染物能源转化理论。

然而由于垃圾渗滤液毒性强、产氢菌的活性较弱，导致直接使用LL进行暗发酵产氢效率较低，严重阻碍了其商业化。微藻对环境压力具有较强的耐受性，可以吸收LL中的营养物和COD，并通过光合作用转化为自身丰富的糖和蛋白等有机质，成为DF的原材料。因此，微藻凭借其较强的生命力对LL的处理和生物能源转化起着至关重要的作用。但是微藻通常在高污染环境中以混合藻种的形式出现，不同藻种的协同效应在LL环境中增强营养物质吸收、生物量生长和细胞代谢的相应机制尚不清楚，不同藻种的代谢成分对后续生物氢和VFAs的转化影响机制尚不明确，严重阻碍了微藻对LL的处理和生物能源生产的大规模应用。

鉴于此，本文深入分析了混合微藻对LL中所蕴含的的能量进行生化转化过程的界面协同机制（流程图如图1）。具体而言，通过改变不同生物种群生物量比例，研究了群落胞外聚合物（EPS）在促进营养物吸收的作用机制。随后，通过收获微藻细胞进行DF生产生物氢和VFAs，在此过程中讨论了多生物种群对垃圾渗滤液中能量转化的协同效应。最后，通过光合作用和DF生物反应的耦合，评价了从LL到生物产物（生物氢和VFAs）的能量回收效率（ECE）。

图1 多藻种光合作用和暗发酵技术耦合进行LL产氢过程界面行为。

针对暗发酵产氢菌直接处理LL的困难，采用具有高稳健性的光合微藻将LL中的营养物质回收为能量。不同SO和CV比值下混合微藻的生物量浓度、叶绿素浓度、COD浓度和NH4+去除性能如图2所示。混合微藻群落比纯SO或CV组(即SO:CV=1:0或0:1)具有更高的生长曲线。在SO:CV=1:1的混合微藻群落中，生物量浓度最高，为1.29 g/L，比纯CV (SO:CV=0:1)和纯SO (SO:CV=1:0)分别提高了29.00%和20.56%（图2a）。此外，在SO:CV=1:1条件下，叶绿素浓度最高可达94.07 mg/L，比纯微藻组提高约40% (图2b)。结果表明，在SO:CV=1:1的混合微藻体系中，SO和CV之间存在更强的协同效应，在LL生物修复过程中比纯微藻组的光合作用更活跃。并且COD和NH4+的去除率最高，分别为32.42%和47.16% (图2c-2d)，说明混合微藻在SO:CV=1:1条件下的旺盛生长，赋予了微藻细胞在LL处理过程中吸收更多COD和NH4+的能力。

图2 SO与CV混合比例对微藻生长及LL处理的影响。详细地说，(a) 微藻生物量浓度，（b）叶绿素浓度，(c) COD浓度和（d）在LL中培养时的NH4+浓度。

混合微藻相互作用对LL处理的协同机制研究

为了揭示SO和CV微藻的协同机制，微藻EPS浓度、表面zeta电位、EPS组成和化学键强度如图3和表1所示。结果表明，与纯微藻(SO:CV=1:0或0:1)相比，SO:CV=1:1的混合微藻具有更高的EPS含量、更高的酪氨酸/色氨酸族蛋白含量和更强的zeta电位，且EPS的化学键强度要低得多。可以推测，在SO:CV=1:1的混合微藻中，EPS中更强的zeta电位加速NH4+的吸附作用，并且EPS上的化学键大多带负电荷，也可以通过静电吸引加速NH4+对微藻EPS的吸附，这使微藻生物量提高到1.29 g/L（图2a），NH4+的去除效率提高到47.16%（图2d）。此外，EPS中蛋白和多糖中的化学键大多是非极性的，对LL中的极性有机物具有较高的亲和力。同时，EPS中蛋白和多糖的高疏水性可以促进细胞间的聚集，提高微藻群落的疏水性，从而增强EPS对COD的吸附。

图3 SO与CV混合比例对EPS含量和成分的影响。

详细地说，图3(a)说明了培养基中疏松型EPS(LB-EPS)和紧密结合型EPS(TP-EPS)的浓度，图3(b)说明了第9天从微藻中提取的EPS的FT-IR光谱，图3中(c)-(g)说明了LB-EPS的组成，而图3(h)-(l)说明了用3D-EEM获得的TB-EPS组成。在图3(c)-(l)中，激发波长Ex<380 nm和发射波长Em<250 nm的区域I和II表示芳香族蛋白质有机物；Ex<250nm和Em>380nm的III区代表黄腐酸族有机物；250<Ex<400nm和Em<380nm的IV区代表可溶性微生物副产物家族中的有机物，尤其是酪氨酸和色氨酸家族蛋白；Ex>250nm和Em>380nm的V区代表腐殖酸族有机物。所有样品在分析前稀释20倍。

表1 微藻中LB-EPS、TB-EPS和总EPS的zeta电位。

双微藻相互作用对能量转换的协同效应

不同SO:CV混合比微藻的胞内成分如图4a所示，其中蛋白质(29.9-37.16%)是微藻生物量的主要成分，其次是碳水化合物(22.79-33.89%)和油脂(14.71-17.64%)。在SO:CV=1:1的条件下，最大产能量为26.84 kJ/L，其中蛋白质为11.46 kJ/L，油脂为7.82 kJ/L，碳水化合物为7.56 kJ/L。由于微藻的体积能产率与生物量浓度和胞内成分密切相关，SO:CV=1:1的混合微藻的总能产率最高可达26.86 kJ/L，其生物量浓度较高(1.29 g/L)，胞内蛋白质、碳水化合物和油脂含量较高。这将为生产更多的生物氢和VFAs提供很大的可能性。

暗发酵过程中，SO:CV=1:1中的乙酸和丁酸浓度高于纯微藻组(SO:CV=1:0或0:1) (图4e和4g)，但SO:CV=1:1中的乙醇浓度低于SO:CV=0:1的纯微藻(图4d)。结果表明，混合微藻比纯微藻更有利于生物制氢过程，而纯微藻在SO:CV=0:1条件下产乙醇活性更高。因此，混合微藻的生物氢产量和生物氢生产速率远高于纯微藻组(SO:CV=1:0或0:1)(图4b-4c)。

图4 在DF期间， SO与CV的混合比例对微藻细胞内组成以及生物氢和VFAs产生的影响。具体而言，(a) 细胞内油脂、蛋白质和碳水化合物含量（列）及其相应的能量产量（行）；(b) 生物氢产量，(c) 生物氢生产速率，(d) 乙醇浓度，(e) 乙酸浓度，(f)丙酸浓度，(g) 丁酸浓度，(h) 戊酸浓度，以及（i）DF途径。

能源分析和环境影响

为了评估该技术的经济性，图5中计算了LL生物转化过程中涉及微藻细胞的光生化反应、产氢菌的暗生化反应以及通过微藻和产氢菌耦合的整个过程的能量转化效率(ECE)。以丁酸(6.85 kJ/L)、乙酸(1.82 kJ/L)、乙醇(1.12 kJ/L)和生物氢(0.52 kJ/L)为主要产物，在SO:CV=1:1条件下，总产能率最高为10.80 kJ/L。结果表明，在SO:CV=1:1的条件下，从LL到生物产物(生物氢和VFAs)的整体ECE1-3最高可达7.75%，这是由于可发酵蛋白质和碳水化合物含量较高。在LL向生物产物的能量转化过程中，光合微藻培养的ECE1-2(约16%)远低于DF过程的ECE2-3(约40%)，说明光生化反应是整个过程的主要限制 (图5b)，这可以归因于LL对微藻细胞的高毒性。此外，CO2固定、LL处理和生物能源生产的营养物回收还有许多额外的环境效益，可以进一步提高该技术的竞争力。

图5 在SO与CV不同比例下，混合微藻从LL到生物产物（生物氢和VFAs）的能量产量和能量转换效率。具体而言，(a)不同DF产物的能量产量；(b)微藻培养过程、DF过程和从LL到生物氢和VFAs的整个过程的能量转换效率。