在生物电化学系统中同时实现甲烷去除和硝化作用：可行性与机制

《Journal of Water Process Engineering》：Simultaneous methane removal and nitrification in a bioelectrochemical system: feasibility and mechanism

该研究构建了配备甲烷氧化生物阳极和好氧生物阴极的生物电化学系统（NAMO-BES），成功实现甲烷去除、硝化和产电协同作用，甲烷消耗率达0.173±0.003 mmol/d，电荷产量11.03±0.10 C/d，系统启动时间为81天。首次证实醋酸菌通过将甲烷氧化中间产物（如甲酸、甲基化合物）转化为乙酸，可提升生物电化学甲烷氧化系统的产电效率。

　　

Xingjie Wei|Wenqing Ma|Renbing Bao|Shiyang Zhang|Shaohui Zhang

武汉理工大学土木工程与建筑学院，中国武汉，430070

摘要

本研究构建了一个生物电化学系统（BES），该系统配备了以甲烷为燃料的生物阳极和充氧的生物阴极，以实现甲烷的同时去除和硝化作用。BES在81天内成功启动，获得了0.173 ± 0.003 mmol/d的甲烷消耗率、105.1 ± 4.0 mV的峰值电压、11.03 ± 0.10C/d的电荷产量以及8.93 ± 1.05%的库仑效率，并实现了完全硝化。生物电化学甲烷氧化是通过产甲烷古菌、好氧甲烷氧化菌、电活性细菌和乙酸生成菌的协同作用来实现的。甲烷首先被产甲烷古菌（如Methanothrix和Methanobacterium）和好氧甲烷氧化菌（如Methylocystis和Mycobacterium）氧化，生成甲酸、乙酸和甲基化合物等中间产物，这些中间产物随后被电活性细菌（如Ignavibacterium和Dysgonomonas）利用来发电。值得注意的是，部分甲烷氧化中间产物（包括甲酸和甲基化合物）在被电活性细菌利用之前，被乙酸生成菌（如严格意义上的Clostridium）转化为乙酸。研究结果表明，乙酸生成菌能够提升BES的发电性能。本研究不仅提供了一种在BES中同时去除甲烷和硝化的策略，还首次证明了乙酸生成菌在生物电化学甲烷氧化中的重要作用。

引言

在污水处理厂中，厌氧消化池被广泛用于去除废水中的有机物质，而厌氧出水中含有可释放到大气中的溶解甲烷[1]。据估计，污水处理厂排放的甲烷占全球甲烷排放量的7-9%[2]。甲烷被认为是全球第二大温室气体，据报道其对全球变暖的贡献超过20%[3],[4]。因此，在厌氧出水排放之前应先去除其中的溶解甲烷[1]。微生物甲烷氧化被证明是减少自然甲烷排放的关键途径，每年全球有10-60%的甲烷通过这一过程被去除[5]。微生物甲烷氧化可以在有氧或厌氧条件下实现，这依赖于各种甲烷氧化菌及其细菌伙伴的协同作用。例如，好氧甲烷氧化菌可以与甲基氧化菌合作进行有氧甲烷氧化，而厌氧甲烷氧化古菌可以与硫酸盐还原菌合作进行厌氧甲烷氧化（AMO）[6],[7]。除了微生物甲烷氧化外，生物电化学甲烷氧化作为一种强大的甲烷去除方法也得到了发展，并且可以与电能回收相结合。这种生物电化学甲烷氧化可以在以甲烷为能源的生物电化学系统（BES）中实现[8],[9],[10],[11]。

以甲烷为能源的BES通常由一个阳极室和一个阴极室组成，甲烷是阳极的唯一电子供体。在阳极室中，甲烷被生物氧化，释放出的电子被传输到阴极以还原电子受体。之前的以甲烷为能源的BES主要使用非生物阴极，例如使用铁氰化钾或重铬酸钾作为阴极电子受体[8],[13]。最近的一项研究报道了一种配备有反硝化生物阴极的以甲烷为能源的BES，称为反硝化厌氧甲烷氧化BES，可以实现阳极甲烷去除和阴极硝酸盐去除[14]。实际上，厌氧消化池的出水不仅含有溶解甲烷，还含有氮化合物（主要以铵的形式存在）。因此，反硝化厌氧甲烷氧化BES为同时去除废水中的甲烷和氮提供了一种有前景的策略。需要注意的是，在反硝化厌氧甲烷氧化BES中，厌氧出水中的铵应首先被氧化为硝酸盐。配备有好氧阴极的BES已被广泛用于氧化铵，实现阳极有机物的同时去除和阴极硝化[15]。如果以甲烷为能源的BES也配备有好氧阴极，它将实现阳极甲烷去除和阴极硝化，为后续的反硝化过程做好准备。也就是说，当一个配备有好氧阴极的以甲烷为能源的BES与一个反硝化厌氧甲烷氧化BES耦合时，它可以同时实现甲烷去除、硝化和反硝化，适用于处理含有溶解甲烷和铵的厌氧出水。标准电极电位（相对于pH 7.0时的标准氢电极）为O₂/H₂O (+0.82 V)，高于CO₂/CH₄ (-0.24 V) [16]。从热力学角度来看，甲烷和氧气可以分别作为以甲烷为能源的BES的阳极电子供体和阴极电子受体，从而实现电能生成。然而，很少有研究考虑在配备有好氧阴极的以甲烷为能源的BES中同时实现电能生成、阳极甲烷去除和阴极硝化。

生物电化学甲烷氧化是以甲烷为能源的BES中的关键过程。据报道，单一的产甲烷菌Methanosarcina barkeri可以在适当的阳极电位下介导生物电化学甲烷氧化[17]，但它需要外部电源并且不能发电。到目前为止，尚未发现任何单一微生物能够独立催化生物电化学甲烷氧化并产生电能。当以甲烷为能源的BES配备有厌氧或缺氧阴极时，产甲烷菌（如Methanobacterium和Methanothrix）被推测作为甲烷氧化菌通过逆甲烷生成作用进行AMO，生成甲酸、乙酸和甲基化合物等中间产物。这些甲烷氧化中间产物随后被电活性细菌利用来发电[8],[9],[10],[12]。当以甲烷为能源的BES配备有好氧阴极时，好氧甲烷氧化菌（如Methylomonas和Methylobacillus）被发现可以将甲烷氧化为中间产物，这些中间产物进一步被电活性细菌利用，同时向阳极释放电子[1]。因此，以甲烷为能源的BES中的生物电化学甲烷氧化被认为是由至少包括甲烷氧化菌和电活性细菌在内的共生联盟介导的[8],[9],[10],[12],[14]。

除了甲烷氧化菌和电活性细菌外，乙酸生成菌（如acetobacterium）也经常在以甲烷为能源的BES中被检测到[1],[18]，它们也可能参与生物电化学甲烷氧化。乙酸生成菌是厌氧细菌，能够将H₂/CO₂/CO、甲酸和甲基化合物转化为乙酸[19]，从而改变栖息地中乙酸的比例。在配备有好氧阴极的以甲烷为能源的BES中，乙酸生成菌与好氧甲烷氧化菌和电活性细菌形成共生联盟，进行生物电化学甲烷氧化，其中部分甲烷氧化中间产物（如甲酸和甲基化合物）被乙酸生成菌转化为乙酸[1]。在以甲酸为燃料的BES中也观察到了类似的现象，其中一些甲酸被乙酸生成菌转化为乙酸，然后被电活性细菌利用[20]。这种甲酸向乙酸的转化有助于BES的电能生成，因为乙酸比甲酸更有利于电能生成[21]，并且添加低水平的乙酸可以提高以甲酸为燃料的BES的发电性能[22]。然而，在一个以甲烷为能源的BES中得到了相反的结果，即乙酸生成菌将中间产物（如甲酸）转化为乙酸会削弱电能生成性能，因为乙酸生成菌消耗了电子[1]。因此，乙酸生成菌在以甲烷为能源的BES中的生物电化学甲烷氧化中的作用需要进一步研究。

总体而言，为了使用反硝化厌氧甲烷氧化BES处理含有溶解甲烷和铵的厌氧出水，有必要开发一种配备有好氧阴极的以甲烷为能源的BES。此外，涉及乙酸生成菌的生物电化学甲烷氧化机制也需要进一步研究。在本研究中，构建了一个配备有AMO阳极和好氧阴极的硝化和厌氧甲烷氧化BES（NAMO-BES），以探讨同时去除甲烷和硝化的可行性。在NAMO-BES成功启动后，进行了微生物群落分析、生物增强实验和纯培养实验，以探索生物电化学甲烷氧化的机制。在生物增强实验和纯培养实验中，应用了产甲烷古菌、电活性细菌和乙酸生成菌的模型微生物，重点研究了这三种功能微生物在生物电化学甲烷氧化中的协同作用。

部分内容摘录

BES配置

构建了两种类型的BES，分别称为NAMO-BES1和NAMO-BES2。NAMO-BES1有两个由质子交换膜（PEM）分隔的腔室（图1a）。每个腔室的总体积为300 mL，其中工作体积为270 mL，头部空间为30 mL。每个腔室中插入了一个大碳刷（长度10 cm × 半径2.5 cm）作为电极。此外，六个小碳刷（3 cm × 1 cm）与阴极连接在一起，用于预培养生物膜。

NAMO-BES1的启动

如图2a所示，在初始阶段观察到峰值电压和电荷产量急剧增加，第3天分别达到了154.3 mV和8.62C/d的第一个峰值。这种现象源于阳极接种物中中间产物的直接氧化产生的电能，而不仅仅是甲烷氧化[10]。从第3天到第8天，峰值电压和电荷产量逐渐下降，然后

结论

NAMO-BES在81天内成功启动，实现了甲烷的同时去除、硝化和电能生成。生物电化学甲烷氧化是通过产甲烷古菌、好氧甲烷氧化菌、电活性细菌和乙酸生成菌的协同作用实现的。甲烷首先被产甲烷古菌和好氧甲烷氧化菌氧化，生成甲酸、乙酸和甲基化合物等中间产物，这些中间产物随后被

CRediT作者贡献声明

Xingjie Wei：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。Wenqing Ma：撰写 – 原稿，研究。Renbing Bao：撰写 – 审稿与编辑。Shiyang Zhang：撰写 – 审稿与编辑。Shaohui Zhang：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢张天教授慷慨提供Geobacter sulfurreducens。