《Bioresource Technology》：Boosting biohydrogen production from pretreated sugarcane bagasse dust via coupled dark fermentation and microbial electrolysis cell
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本研究采用碱-超声预处理甘蔗渣粉尘，结合DF-MEC系统使总产氢达4.3 L/L，能量回收率21%，优于单一DF的12.4%。XRD和FTIR证实预处理有效改善结构，CLSM显示生物膜增强。
作者：Soumyajit Chandra、Soumya Pandit、Mohit Kumar、Sandeep Kumar Shukla、Srijoni Banerjee
印度大诺伊达Sharda大学生命科学系，邮编201310
摘要
木质纤维素生物质是可持续生产生物氢的理想原料；然而，由于其降解性较低和能量转化效率不高，其应用受到限制。本研究探讨了将黑暗发酵（Dark Fermentation, DF）与微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell, MEC）结合，并采用有效的预处理方法，是否能够提高从甘蔗渣粉尘中回收生物氢的效率。研究使用了碱处理和超声波处理来改善底物的可消化性，通过XRD和FTIR分析验证了结构变化。经预处理的甘蔗渣在黑暗发酵过程中产生了3.4 L/L（0.00608 mol H?/g干底物）的生物氢，远高于未经处理的底物。随后将黑暗发酵的废水用于微生物电解池，在+0.7 V的电压下实现了0.9 L/L的最大氢产量。利用共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM）证实了在优化条件下微生物电解池中生物膜的形成得到了增强。这种集成DF-MEC系统实现了21%的能量回收率，优于单一阶段的黑暗发酵（12.4%），从而证明了该组合方法的有效性。
引言
对化石燃料的依赖导致了温室气体排放的增加和环境退化，这促使人们寻找更清洁的替代能源。生物氢是一种环保且具有巨大潜力的燃料，有助于未来的能源转型（Ayodele等人，2023年；Capellán-Pérez等人，2014年；Varanasi等人，2015年）。
黑暗发酵（DF）是生产生物氢的最有效方法之一，因为它可以在中温下运行，并且能够处理多种淀粉类和木质纤维素原料（Pandit等人，2024年）。然而，这一过程的缺点是底物利用率不高，因为除了产生氢气外，还会生成挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs），如乙酸和丁酸。因此，所用介质中包含大量未被利用的能量。理论上，每摩尔葡萄糖只能产生4摩尔氢气，其余部分被用于生成VFAs和有机酸（Srivastava等人，2024年）。
为了提高能量回收率，人们探索了将DF与其他工艺结合的方法。光发酵是一个有前景的选项，但其缺点包括底物转化效率低、反应器成本高以及需要持续光照（Bolatkhan等人，2019年）。甲烷生成可以部分利用这些VFAs，但受到反应动力学缓慢的限制，且需要额外的脱硫步骤（Chandra等人，2026年；Lavagnolo等人，2018年）。相比之下，近年来微生物电解池（MECs）被认为是一种从DF废水中高效回收氢气的有效方法（Ahmed等人，2021年；Das和Basak，2024年；Kumar等人，2024年）。在MECs中，VFAs被电活性细菌氧化生成电子和质子，在施加低外部电压（0.5–1.0 V）的情况下，这些电子和质子在阴极通过氢释放反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER）生成氢气（Arun等人，2024年；Gautam等人，2023年）。这种方法直接利用了VFAs丰富的废水中储存的潜在能量。
扩大DF-MEC系统规模的最大挑战之一是选择合适的原料及其预处理方法。甘蔗渣粉尘是印度最丰富的木质纤维素废弃物，每年产量超过8000万吨（Konde等人，2021年）。尽管其富含纤维素、半纤维素和木质素，但未经预处理时其生物降解性较差（Mankar等人，2021年；Okolie等人，2021年）。有效的预处理方法，包括碱处理和超声波处理，可以协同作用，破坏木质素屏障、降低结晶度并增加孔隙度，从而释放更多可发酵的糖分（Chakraborty等人，2024年；Pandit等人，2023年）。碱-超声波预处理因其协同去木质化机制（使用NaOH破坏木质素-碳水化合物键）和机械化学机制（超声波诱导的空化作用降低结晶度）而受到特别关注，这种预处理方法优于单一预处理方法，同时避免了酸水解抑制剂和高酶成本。
虽然已有关于预处理甘蔗渣粉尘进行黑暗发酵的研究，但尚未有文献报道使用这种原料的顺序DF-MEC方法。之前的研究仅限于其他原料，如水葫芦（Varanasi和Das，2020年）和含淀粉的废水（Kumar等人，2024年），但这些方法的能量回收率较低。因此，将DF与MEC结合在预处理的甘蔗渣粉尘（碱-超声波处理）上，提出了一种新的两阶段途径以实现最大能量产出。本研究的新颖之处在于首次将碱-超声波预处理和DF-MEC结合使用甘蔗渣粉尘作为原料，这是印度最常见的农业废弃物（每年产量超过8000万吨），因为现有文献中尚未发现基于甘蔗渣粉尘的DF-MEC系统。
在本研究中，甘蔗渣粉尘经过碱处理和超声波处理，其结构变化通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）进行了验证。随后使用黑暗发酵生成生物氢，富含VFAs的废水被用于微生物电解池系统以提高氢的回收率。通过循环伏安法（CV）和在不同电压下的氢释放实验测量了微生物电解池的性能，并使用改进的Gompertz模型模拟了整体生产动力学。这是首次将经过碱-超声波辅助预处理的甘蔗渣作为原料用于DF-MEC系统以最大化生物氢的回收率。本研究符合以下“可持续发展目标（SDGs）”：SDG 7、SDG 12和SDG 13。
部分内容摘录
接种物收集与使用
黑暗发酵生物氢生成过程使用了“Enterobacter aerogenes”（MTCC 2822）（Chandra等人，2025b）。该细菌菌株来自MTCC，使用麦芽、酵母提取物和葡萄糖（MYD）培养基进行培养。MYD培养基的配比为1%:0.4%:1%（w/v）（Pandey等人，2009年）。细菌培养12小时后，其光密度（OD 600）接近1.0，细胞密度约为1.2 × 10? CFU/mL。
黑暗发酵生物氢生产
本研究以甘蔗渣粉尘为原料研究了黑暗发酵生物氢的生产过程。成分分析显示，甘蔗渣中的纤维素、半纤维素和木质素含量分别为40%、33.5%和17%。这种组成表明甘蔗渣具有难以降解的特性，因此有效的预处理有助于微生物更容易利用这些成分。这一结论通过XRD和FTIR得到了验证，因此选择甘蔗渣作为黑暗发酵的原料。
结论
本研究证实，碱-超声波预处理甘蔗渣粉尘结合DF-MEC是一种有效的废物转化为氢气的途径。预处理使黑暗发酵的氢产量提高了35%（3.4 L/L），而微生物电解池从富含VFAs的废水中进一步回收了0.9 L/L的氢气，总能量回收率达到21%，优于单一阶段的黑暗发酵（12.4%）。循环伏安法分析证实了使用过期的黑暗发酵培养基比直接使用甘蔗渣具有更高的电活性，验证了这种两阶段方法的协同效应。Gompertz模型拟合度R2 = 0.999。
作者贡献声明
Soumyajit Chandra：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、实验设计、数据管理、概念构建。
Soumya Pandit：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督、概念构建。撰写、审稿与编辑。
Sandeep Kumar Shukla：撰写、审稿与编辑。
Srijoni Banerjee：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督、概念构建。
资金支持
本研究由iHUB Divyasampark（IIT Roorkee，参考编号：2023/TIH-IITR/655）和印度政府MSME部门资助。
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的研究结果。
