将光催化诱导的细胞壁破坏技术与细菌预处理结合应用于微藻生物质中，以提高发酵产氢效率：半规模能量分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Integrating photocatalytic-induced cell wall disruption and bacterial pretreatment on microalgal biomass to enhance fermentative biohydrogen yield: Semi-pilot scale energy analysis

微藻生物质（MB）利用TiO?预处理结合细菌预处理可提升生物制氢效率，实验表明低剂量（15 mg/g SS）TiO?处理30分钟显著增强MB细胞壁破裂，使溶解有机物量提高至3072 mg/L（29.3%），生物氢产量达149.6 mL/g VS，较对照组提升60.5%。TiO?预处理通过光催化作用破坏磷脂层，协同细菌分泌纤维素酶分解细胞壁多糖层，减少能量消耗，半工业化分析验证其经济可行性。

　　

作者：Yukesh Kannah Ravi、S. Kavitha、Siham Y. Al-Qaradawi、J. Rajesh Banu

机构：波兰格利维采西里西亚工业大学有机与纳米混合电子中心，Konarskiego 22B，44-100

摘要

微藻生物质（MB）是生产生物氢（bioH₂）的有潜力原料，但其坚硬的细胞壁结构限制了底物的生物转化速率。通过轻微破坏微藻的细胞壁可以有效提高酶促水解效率和产物产量。本研究评估了使用二氧化钛（TiO₂部分破坏微藻细胞壁后，再经过细菌预处理（BP）对提高bioH₂产量的影响。结果表明，低剂量的TiO₂（15 mg/g SS）和处理时间（30分钟）在破坏微藻细胞壁方面更为有效。随后使用分泌纤维素酶的细菌进行细胞裂解。结果显示，与I-BP（未经处理的微藻细胞仅进行BP处理）和IA（微藻细胞自溶）相比，PDTiO₂-BP处理后溶解有机物的速率更高，同时bioH₂的累计产量也更高（PDTiO₂-BP为149.6 mL/g VS，而I-BP为93.4 mL/g VS，IA为26.7 mL/g VS）。值得注意的是，TiO₂对微藻细胞壁的破坏显著提升了BP处理的效果和bioH₂的累计产量。半规模能量分析进一步证实，PDTiO₂-BP是一种能源高效且经济可行的方法。

引言

由于能源需求的增加以及传统不可再生能源（如原油、煤炭和天然气）的枯竭，能源短缺已成为全球性的问题。根据美国能源信息署（US EIA）的预测，到2040年全球能源消耗量将增加28% [1]。化石燃料的快速消耗加剧了人们对可再生燃料的兴趣。生物氢（bioH₂）作为一种潜在的可再生燃料，被视为一种碳中性的能源载体 [2]。在用于生产bioH₂的原料中，微藻因其富含蛋白质、碳水化合物、脂质等生物分子而成为优选选择 [3]。微藻的高繁殖率及其捕获和封存二氧化碳的能力使其成为生产bioH₂的理想原料 [4]。然而，微藻生物质（MB）复杂的坚硬细胞壁阻碍了细胞内成分的释放，从而降低了其生物降解性。因此，在发酵前对微藻细胞进行破坏是必要的。目前有多种微藻破坏方法，主要包括机械方法（分散、珠磨等）、物理方法（微波、热处理）、化学方法（碱、酸、离子液体、表面活性剂等）以及生物预处理（酶处理、真菌处理、细菌处理等）[6,7]。这些方法各有其破坏微藻细胞壁的机制，但部分方法需要较长的处理时间，并可能产生抑制剂。此外，由于所需能量较高（文献中报道的能量消耗范围为33 MJ/kg至529 MJ/kg [8,9]），这些方法的规模化应用存在困难。因此，通过这些方法实现净能量产出具有挑战性。显然，采用高能耗的预处理方法（如物理/机械方法）会导致能量不平衡，从而影响整个过程的经济可行性。细菌参与的生物预处理（BP）是一种可能的解决方案，因为它能耗较低，且可在温和的条件下进行 [6]。尽管BP处理比其他方法更具优势，但由于微藻细胞壁的双层结构，其破坏效果有限 [10]。本研究选用普通小球藻作为原料，因为它含有丰富的有机物、较高的生产力以及较强的光合作用能力 [11]。普通小球藻的细胞壁中包含蛋白质和碳水化合物等生物分子，这些分子与多糖骨架（纤维素和半纤维素）结合在一起 [10]。此外，细胞膜中的磷脂会阻碍细胞分解。Concas等人 [8]指出，微藻中的磷脂不适合用于生物燃料生产。

光催化剂被证明是在光照条件下进行氧化还原反应的有效材料。在基于生物的过程中，脂质过氧化是一个自然现象，可通过自由基对脂质膜中的不饱和双键的攻击来引发。然而，这一过程较为缓慢，可以利用光催化剂加速 [12]。在已知的光催化剂中，二氧化钛（TiO₂）因其光稳定性、低成本和低毒性而备受青睐 [13]。本研究利用TiO₂光催化剂首先破坏微藻细胞壁，随后进行分泌纤维素酶的细菌预处理，因为纤维素和半纤维素是微藻细胞壁的主要成分。据我们所知，关于先用TiO₂部分破坏微藻细胞壁，再采用BP处理的文献较少。本研究的主要目的是：1）探讨TiO₂对微藻细胞壁破坏效果的影响；2）评估这种两步处理方法生产bioH₂的潜力；3）预评估其可扩展性和后续规模化研究的适用性。

微藻生物质（MB）

本研究中使用的微藻为普通小球藻，在改良的Bold基础培养基 [11] 中培养，培养容器为5升的Hopkins烧瓶，室温为24 ± 1°C。使用Cool fluorescent lights（TL-D 40 W，Philips Cool Daylight 6500 K）持续照射烧瓶。通过持续通气确保生物质保持悬浮状态并防止沉淀。通过分光光度法监测微藻的生长情况，并在适当时机收获细胞。

使用TiO₂破坏微藻细胞壁

微藻的细胞壁是一层坚硬的屏障，用于保护细胞内的化合物。特别是普通小球藻具有双层细胞壁：内层为电子密集层，外层表面覆盖着纤维状结构。微藻细胞壁中含有大量的细胞外生物分子（蛋白质和碳水化合物），以及少量的多糖骨架（纤维素等）。

结论

使用TiO₂部分破坏微藻细胞壁后，再进行细菌预处理（BP），结果显示PDTiO₂-BP处理后可释放更多的可溶性有机物（3072 mg/L，29.3%），而I-BP处理后仅为1919 mg/L（18.3%），IA处理后为560 mg/L（5.3%）。可溶性有机物的释放直接影响bioH₂的产量。PDTiO₂-BP处理后的bioH₂产量（149.6 mL/g VS）显著高于I-BP（93.4 mL/g VS）和IA（26.7 mL/g VS）。半规模能量分析进一步证实了这一效果。

作者贡献声明

Yukesh Kannah Ravi： 负责撰写初稿、研究设计、资金申请、数据管理及验证。 S. Kavitha： 负责审稿与编辑、数据验证、正式分析及概念构思。 Siham Y. Al-Qaradawi： 负责审稿与编辑、资源协调。 J. Rajesh Banu： 负责审稿与编辑、项目监督、方法设计、资金申请及概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了卡塔尔国家研究基金（隶属于卡塔尔基金会）的资助。本研究还得到了波兰西里西亚工业大学在“卓越计划-研究型大学项目”下的支持。