利用以拟杆菌为优势菌属的嗜热微生物燃料电池处理酒精酒厂废水外文翻译资料

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利用以拟杆菌为优势菌属的嗜热微生物燃料电池处理酒精酒厂废水

摘要：使用嗜热微生物燃料电池（MFC）进行发电和酿酒废水（DWW）处理。结果表明，只需较少的能量来冷却DWW的嗜热微生物燃料电池就可以实现高效率的发电，并且还可以减少硫酸盐以及氧化复合有机底物。而且生成的电流密度（2.3 A / m2）和功率密度（高达1.0 W / m2）高于以前的废水处理。高库仑效率（CE;高达89％）的意义在于表明了电流是嗜热微生物燃料电池中最重要的电子冷阱。基于16S rRNA基因的焦磷酸测序的细菌多样性显示，已知的逆转录菌和厚壁菌成员在用DWW饲喂的嗜热微生物中不占优势;相反，未表征的拟杆菌嗜热菌高达阳极生物膜中总读数的52％。由于DWW的复杂性，接近未培养的杆菌属细菌的一个单细菌序列（OTU D1）占优势，高达几乎40％的总读数。 D1物种的增殖与高发电和高库仑效率同时发生。

背景

最近，生物乙醇已成为受欢迎的替代燃料，其在农业材料和纤维素生物质中的产量已经在全世界范围广泛地增长。在2010年，世界乙醇生产达到840亿升（220亿加仑），这是开始时的产量的约5倍 （FO Licht，World Ethanol and Biofuels 2011）。 然而，一个关键的问题是生物乙醇制造会产生大量的主要来自蒸馏过程的高强度废水，平均来说，每升生产的乙醇产生8-15L的酒精废水（DWW）。

DWW的特征为其极高的化学需氧量（COD，通常为80-100g / L），深棕色和高硫酸盐浓度（1.3-3.7g / L）。来自乙醇蒸馏厂培养基废水的污染潜力和人口50万的城市的污水的污染潜力相当。 显然，DWW排放到环境中之前需要适当的处理。 当然，高COD含量还提高了能量回收的潜力。

由于蒸馏过程中固有的高温，废水的温度也高，通常为70至80℃。该过程需要冷却以满足中温条件，因此对DWW的热处理过程进行能量回收是必要的。

通常，DWW通过厌氧消化（AD）处理产生甲烷， 但是DWW中的高水平的硫酸盐又可以抑制甲烷生成活性。 此外，硫酸盐还原产生的硫化物会产生恶臭和腐蚀处理系统。

微生物燃料电池（MFC）为获得可持续能源和氧化废水中的有机污染物和硫化物提供了有可行的方法。将酿酒厂废水作为中温MFC中的电力生产的有机燃料的研究很多，对嗜热MFC的研究却很少，而且没有一种涉及废水的处理。 然而，MFC的嗜热操作可以通过降低活化阻力，质量传递限制和欧姆电势损失; 事实上，嗜热MFC在MFC操作中已经显示出较高的电子产生速率。

与嗜温MFC相反，关于具有细胞外电子转移到嗜热MFC中的固体电极能力的微生物的信息是最少的。由于它们通过电子转移到阳极的独特能力，被称为电化学活性细菌（EAB）或阳极呼吸细菌（ARB）。而先前的嗜热MFC的分析集中于使用乙酸盐作为唯一电子供体的系统。分析16S rRNA的研究揭示，克隆主要与革兰氏阳性嗜热菌在厚壁菌门和迟缓菌门中相关。 Wrighton等人结合16S rDNA丰度和16S rRNA表达测量，使用PhyloChip显示Firmicutes是显性的并且可能参与嗜热MFC阳极中的发电。只是不知道革兰氏阳性Firmicutes和/或Deferribacteres在用于处理复杂有机底物的废水的嗜热MFC中是否仍然占优势。

这项研究的总体目标是评估嗜热MFCs在这种高温废水是否可以实现高效率的电力生产和除去硫酸盐与氧化有机底物，并探讨阳极的嗜热细菌群落结构 对MFC性能的影响。 为了实现这些目标，我们测量了能量转换效率，COD和DWW期间的嗜热MFCs的硫酸盐去除效率。 探讨了嗜热阳极生物膜中的细菌（连同接种物）多样性，并使用细菌16S rRNA基因扩增子的焦磷酸测序，因为其提供足够长（〜400bp）的读数以在物种水平鉴定细菌。

实验部分

MFC结构与操作。在本研究中使用板型无介体MFCs18。 通过Nafion 424阳离子交换膜（DuPont，Wilmington，DE，USA）分离阳极和阴极室（每个20mL），两块石墨毡片（12mmtimes;2mmtimes;0.8mm）（Electrosynthesis Co. ，Lancaster，NY，USA）作为电极。 外部电阻为10Omega;，并且使用蠕动泵（Watson-Marlow，Falmouth，Cornwall，UK）控制进料速度。 阳极室接收通过上流泵输送系统进料的DWW（如下所述）; 同时，以20mL / min的恒定进料速率向阴极室连续加入磷酸盐缓冲液（pH7.0; 50mM）， 并且将所有MFC安装在温度控制室（55℃）中。

使用从Jinro Distillers Co.（Ansan，Korea）的废水处理过程中收集的嗜热厌氧消化污泥（55℃）作为接种物，并且在高温（约80℃）下收集从酿酒过程排出的新鲜废水用作DWW进料。 由于MFC构造（用于上流连续进料的小阳极室）所施加的约束，仅可以施加液态废水。 因此，需将废水离心（6000rpm，20分钟）以分离液相和固相，并将液态和固态废水在用于进一步实验之前储存在深冷冻器（-70℃）中。 其中为了消除可能限制性能的非细菌因子，将高强度DWW用磷酸盐缓冲液稀释至可与实验室规模的MFC（150-1000mg COD / L）一起使用的强度。

接种后，阳极室中的微生物饥饿处理24小时，然后用DWW进料培养基连续进料。 将无机盐和微量矿物质溶解在磷酸盐缓冲液（pH 7.0,50mM）中制备饲料培养基，如Chang等人，然后将介质在121℃（15分钟）高压灭菌，在氮气气氛下冷却。 当介质冷却至约40℃时，将DWW的液相加入到培养基瓶中至期望的COD值，并且在将培养基供给MFC之前用氮气充气。 在操作期间，连接含有无氧氮气的气密袋（SKC，Eighty Four，PA，USA），以保持培养基瓶中所需的厌氧条件。 随后用相同的操作条件和接种物以操作仅用乙酸酯作为燃料进料的嗜热MFC。

首先，所有MFC都富集并用阴极电极操作。 为了识别系统的最大能力，将两片阴极电极替换为Pt涂覆的石墨毡，以最小化阴极限制。 Pt粉末以0.3mg / cm 2的密度喷涂在石墨毡的一侧上。

过程监控

使用数字万用表（Keithley 2700，Keithley Co.，Cleveland，OH，USA）测量阳极和阴极之间的电势，并通过数据采集系统（EXCELINK，Keithley Co.）在在个人计算机上每间隔5分钟记录一次。 然后根据欧姆定律【电势（V）=电流（I）times;电阻（R）】将测量的电势转换为电流。 此外，使用等式【电流（A）=库仑（C）/时间（s）】将电流转换为库仑（C），并且通过对测量的电流和最大电流进行积分来计算库仑效率，可能基于观察到COD去除。 对于连续操作的系统，CE计算为

其中M = 32g / mol O_2，F是法拉第常数（96,500C / mol e-），b = 4是每摩尔氧交换的电子数，q是体积流入流速，Delta;COD是 进水和出水COD。 我们还将电流和功率密度归一化到阳极电极的表面积。

使用COD试剂盒（Humas Co.，Daejeon，Korea）测量COD，并且使用用于阴离子检测的AS14柱（Dionex Co.Sanville，CA，USA）离子色谱法测定硫酸盐水平。洗脱液用碳酸钠和碳酸氢钠溶液（2mM：2mM），流速为0.95mL / min。 使用试剂盒（Humas Co.）通过亚甲基蓝法测定流出物中的可溶性硫化物。

DNA提取，16S rRNA基因扩增和FLX焦磷酸测序钛。

嗜热MFC阳极室的石墨毡电极在操作1年后取样用于DNA提取。 使用PowerSoil DNA分离试剂盒（MOBIO，Carlsbad，CA，USA）提取宏基因组DNA。为了比较，宏基因组DNA也以相同方式从活化污泥的初始接种物操作的乙酸盐喂养的嗜热MFC的石墨毡阳极中提取。从每个来源取三个样品。

使用引物组27F（GAGTTTGATCMTGGCTCAG）和518R（WTTACCGCGGCTGCTGG）从提取的DNA中扩增可变V1-V3区内的16S rRNA基因的片段。使用9种不同的条形码（用于Ace_MFC样品（乙酸酯进料MFC）的GACACTGT，GAGTACAG和GCTATAGC，用于DWW_MFC样品（DWW进料MFC）的GTAGCATC，GTCACAGT和TAGCGCAT，以及用于接种物样品的TATAGCGC，TCGAGTAC和TGAGTCTG）以在焦磷酸测序运行中对每个样品进行分选，其中样品序列被混合。每个PCR反应如Lee 所描述的那样。 PCR扩增后，通过凝胶电泳纯化扩增子一次，然后使用QIAquick凝胶提取试剂盒（Qiagen，Valencia，CA，USA）和QIAquick PCR纯化试剂盒（Qiagen）纯化两次。使用454 / Roche GS-FLX Titanium仪器（Roche，Branchburg，NJ，USA），由Macrogen Inc.（Seoul，Korea）进行扩增子的焦磷酸测序。最后，根据先前的研究使用读取长度（lt;300个核苷酸），不明确序列的数目（gt; 0）和平均质量得分（QS lt;20）的截断值滤出低质量序列。

微生物群落分析

使用多重序列比对和完全连锁聚类，RDP焦磷酸测序检测到流水线聚类从0到10％不相似的序列。 这些簇作为操作分类单位（OTUs）可以用于绘制稀疏曲线和计算OTU丰富度和多样性指数。每个OTU的代表性序列都会通过RDP Classfier，EzTaxon，Greengenes和BLASTN分类以匹配最接近的菌株。 为了构建基于16S rRNA基因的系统发生树，使用MUSCLE将焦磷酸测序序列与已知的参考序列比对，然后使用MEGA4通过使用邻近接合算法产生系统发生树，所述相邻接合算法使用与1000个引导的成对比较的相似性矩阵并进行复制。

结果

DWW操作的嗜热MFC的富集和电力生产。以0.45mL / min（相当于9.7plusmn;0.6kg COD / m 3·天）的速率连续地供给300plusmn;17mg COD / L DWW的MFC阳极。 图1显示了使用DWW操作的嗜热MFC的电流和功率，在添加了嗜热性厌氧消化器污泥的所有MFC中产生约0.65plusmn;0.02V的开路电位。 当电极通过10Omega;的外部电阻连接时，在开始逐渐增加之前，电势立即下降到0.01mV。 操作2周后，电流达到5plusmn;0.3mA（0.71plusmn;0.04A / m 2和250plusmn;14A / m 3）（图1A）。 COD去除率为66.5plusmn;2.8％，CE为27.3plusmn;1.1％。

图1.在不同阴极电极条件（裸露（I），一个Pt涂覆的片材（II）和两个Pt涂覆的片材（III））下用DWW操作的热敏MFC的电流（A）和功率（B）

当两个阴极片被Pt涂覆的石墨毡顺序替换时，当前的产量迅速增加。其中一个和两个 Pt涂层电极片（图1A），电流分别增加到11.5plusmn;0.3mA（1.6plusmn;0.04A / m 2和600plusmn;15A / m 3）和16.5plusmn;0.2mA（2.4plusmn;0.03A / m 2和838plusmn;10A / m 3）。 同时，CE从27.3％分别增加到72.4％和89.3％。

通过改变外部电阻（5Omega;至40kOmega;）获得极化曲线，从曲线上获得的最大功率密度与裸阴极MFC相比仅为约0.1plusmn;0.003W / m 2（37plusmn;1W / m 3），但在分别具有一个和两个Pt涂覆的阴极电极的MFC中显着增加至0.36plusmn;0.01W / m 2和0.97plusmn;0.02W / m 2（分别为126plusmn;4W / m 3和342plusmn;7W / m 3）。

DWW的生物电化学处理。嗜热MFC的COD去除效率随着DWW的强度而变化，图2显示了具有一个Pt涂覆的阴极的嗜热MFC的DWW强度和电流产生的关系以及COD去除和CE之间的关系。将DWW强度稀释至142plusmn;7至1043plusmn;20mg / L的范围（加载速率范围为4.6plusmn;2.0至33.8plusmn;0.7kg COD / m 3·天）。通常，对于相同的流入流速，增加DWW强度导致更高的电流密度（从1.1plusmn;0.04到2.0plusmn;0.1A / m 2）。然而，对于COD高于300mg / L的流入物，增加很小。相比之下，在进水COD超过700 mg / L的情况下，COD去除效率随着进水COD（从76plusmn;3％到46plusmn;2％）的下降稳定在46％。因此，对于142plusmn;7mg / L的 COD值，DWW强度为81plusmn;2％，并在COD在1043plusmn;20mg / L时下降至31.5plusmn;2％（图2B）。每个废水强度下产量的图，如图2A中的虚线所示。此图表明具有嗜热MFC的最大电流密度约2.2plusmn;0.2A / m 2，并且表观最大​​速率浓度（Ks）的DWW的嗜热阳极呼吸细菌为117plusmn;47mg COD / L（R2 = 0.90）。不管供应给阳极的乙酸盐浓度如何，嗜热乙酸盐进料的MFC记录的CE值大于95％。

图2.初始DWW强度与COD去除之间的关系以及在具有一个Pt涂覆片的阴极的嗜热MFC中产生的电流密度（A）和CE（B）之间的关系。

在嗜热MFC中检查MFC操作期间的硫酸盐还原。硫酸盐浓度随阳极的废水强度变化，范围为14.0plusmn;1.3至42.1plusmn;3.7mg / L。 不管DWW强度如何，在所有实验中获得约60％的硫酸盐去除效率，如表1所示。

已知在厌氧处理中的硫酸盐还原导致可能出现在流出物中硫化物的形成。 在这里，我们观察到，在含硫酸盐

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