Continuous photosynthetic biohydrogen production from acetate-rich wastewater: Influence of light intensity

從富含醋酸鹽的廢水中連續(xù)生產(chǎn)光合生物氫：光照強(qiáng)度的影響

來源：international journal of hydrogen energy 46 (2021) 21812 e21821

 

一、摘要概述

 

本研究通過連續(xù)光生物反應(yīng)器（PBR）實(shí)驗(yàn)，揭示了光照強(qiáng)度對(duì)微藻（Chlamydomonas reinhardtii和 Chlorella sorokiniana）利用富含乙酸鹽的發(fā)酵廢水產(chǎn)氫（H?）的關(guān)鍵影響：

 

乙酸鹽的核心作用：發(fā)酵廢水中的乙酸鹽（~25 mM）通過結(jié)合PSII放氧復(fù)合體（OEC）的Cl?位點(diǎn)，有效抑制氧氣（O?）釋放，創(chuàng)造厭氧環(huán)境激活氫酶（HydA）（引言）。

 

光照強(qiáng)度的非線性效應(yīng)：100 μmol m?2 s?1光照下H?產(chǎn)量最高（C. reinhardtii：108±4 μmol L?1；C. sorokiniana：88±7 μmol L?1），超過150 μmol m?2 s?1時(shí)發(fā)生光抑制，H?產(chǎn)量下降（圖1a, 圖4a,c）。

 

 

能量轉(zhuǎn)化效率峰值：50 μmol m?2 s?1時(shí)獲得最高光能-氫能轉(zhuǎn)化效率（LHCE）（C. reinhardtii：1.61%；C. sorokiniana：1.06%），隨光照增強(qiáng)而降低（圖2d）。

 

 

連續(xù)產(chǎn)氫可行性：在SRT=2.5天的連續(xù)PBR中，實(shí)現(xiàn)15天穩(wěn)定產(chǎn)氫，驗(yàn)證了廢水資源化與能源回收的協(xié)同潛力（圖4）。

 

 

二、研究目的

 

探究光照強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)氫的影響機(jī)制：量化不同光照下H?產(chǎn)量、HydA活性及葉綠素a（Chl a）的動(dòng)態(tài)變化（引言）。

 

驗(yàn)證乙酸鹽廢水替代硫饑餓法的可行性：利用發(fā)酵廢水（含25 mM乙酸鹽）作為天然O?清除劑，避免人工硫剝奪的不可持續(xù)性（引言）。

 

優(yōu)化光能轉(zhuǎn)化效率：通過LHCE評(píng)估系統(tǒng)能量效率，為規(guī)模化應(yīng)用提供參數(shù)依據(jù)（材料與方法）。

 

三、研究思路

 

采用 批式與連續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)合 的雙模式驗(yàn)證：

1. 批式實(shí)驗(yàn)（短期機(jī)制解析）

 

光照梯度設(shè)計(jì)：50–300 μmol m?2 s?1光照強(qiáng)度（表1），監(jiān)測(cè)H?產(chǎn)量、HydA活性、Chl a濃度（圖2）。

 

 

光抑制模型：采用Aiba方程擬合比生長(zhǎng)速率（μ）與空間平均光強(qiáng)（LISA）的關(guān)系（式2），揭示光抑制閾值（C. reinhardtii：186 μmol m?2 s?1）（圖1b）。

 

 

暗-光循環(huán)實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證光照對(duì)PSII活性的必要性（無光照時(shí)無H?產(chǎn)生）（圖3）。

 

 

2. 連續(xù)實(shí)驗(yàn)（長(zhǎng)期穩(wěn)定性驗(yàn)證）

 

反應(yīng)器設(shè)計(jì)：400 mL PBR，SRT=2.5天，發(fā)酵廢水持續(xù)進(jìn)料。

 

監(jiān)測(cè)指標(biāo)：H?/O?濃度（Unisense微電極）、HydA活性、乙酸鹽消耗、生物量（圖4）。

 

四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. H?產(chǎn)量與光照強(qiáng)度的非線性關(guān)系（圖1a, 圖2a）

 

數(shù)據(jù)來源：批式實(shí)驗(yàn)最大H?產(chǎn)量（圖1a）；生物量標(biāo)準(zhǔn)化H?產(chǎn)量（圖2a）。

 

結(jié)果：

 

100 μmol m?2 s?1時(shí)H?產(chǎn)量最高（C. reinhardtii：158±2.8 μmol L?1）。

 

150 μmol m?2 s?1時(shí)H?下降20%（光抑制）。

 

意義：明確產(chǎn)氫最優(yōu)光照區(qū)間（100–150 μmol m?2 s?1），避免高光強(qiáng)導(dǎo)致的PSI電子傳遞鏈損傷。

 

2. 光能-氫能轉(zhuǎn)化效率（LHCE）（圖2d）

 

數(shù)據(jù)來源：式3計(jì)算能量效率。

 

結(jié)果：50 μmol m?2 s?1時(shí)LHCE最高（1.61%），300 μmol m?2 s?1時(shí)降至0.28%。

 

意義：低光強(qiáng)雖效率高，但絕對(duì)產(chǎn)氫量低；100 μmol m?2 s?1平衡效率與產(chǎn)量。

 

3. HydA活性與Chl a響應(yīng)（圖2b,c）

 

數(shù)據(jù)來源：體外HydA活性測(cè)定；Chl a分光光度法。

 

結(jié)果：

 

HydA活性與H?產(chǎn)量正相關(guān)（r= 0.92, P< 0.01）。

 

高光強(qiáng)（>200 μmol m?2 s?1）下Chl a下降30%，證實(shí)光損傷。

 

意義：Chl a減少反映PSII光抑制，直接限制電子供應(yīng)至HydA。

 

4. 連續(xù)產(chǎn)氫穩(wěn)定性（圖4a,c）

 

數(shù)據(jù)來源：15天PBR運(yùn)行數(shù)據(jù)。

 

結(jié)果：100 μmol m?2 s?1下平均H?產(chǎn)量穩(wěn)定（C. reinhardtii：108±4 μmol L?1）。

 

意義：驗(yàn)證乙酸鹽廢水可持續(xù)維持厭氧環(huán)境，支持長(zhǎng)期產(chǎn)氫。

 

5. 乙酸鹽消耗與代謝產(chǎn)物（圖4e）

 

數(shù)據(jù)來源：GC測(cè)定VFAs（乙酸鹽、丁酸鹽）。

 

結(jié)果：乙酸鹽持續(xù)消耗（25 mM→5 mM），丁酸鹽穩(wěn)定（7.5 mM）。

 

意義：乙酸鹽主導(dǎo)O?清除與電子供應(yīng)，丁酸鹽積累表明酸化代謝路徑。

 

五、結(jié)論

 

乙酸鹽的核心性：發(fā)酵廢水中的乙酸鹽通過阻斷PSII放氧，替代硫饑餓法實(shí)現(xiàn)可持續(xù)厭氧環(huán)境。

 

光強(qiáng)優(yōu)化窗口：100 μmol m?2 s?1為最佳光照強(qiáng)度，平衡產(chǎn)氫量（108±4 μmol L?1）與能量效率（LHCE=1.61%）。

 

光抑制機(jī)制：>150 μmol m?2 s?1導(dǎo)致Chl a降解及HydA活性下降，H?產(chǎn)量降低20%。

 

連續(xù)運(yùn)行可行性：SRT=2.5天的PBR實(shí)現(xiàn)15天穩(wěn)定產(chǎn)氫，為廢水-能源聯(lián)產(chǎn)提供技術(shù)路徑。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀

1. 技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)

 

原位高精度監(jiān)測(cè)：采用H?-NP和OX10微電極（Unisense A/S），尖端直徑500 μm，直接測(cè)定PBR中溶解H?和O?濃度（方法）。

 

動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力：秒級(jí)分辨率捕捉O?瞬態(tài)變化（如暗/光切換時(shí)O?驟降）（圖3）。

 

校準(zhǔn)可靠性：預(yù)實(shí)驗(yàn)H?/O?標(biāo)準(zhǔn)氣校準(zhǔn)，誤差<±0.5 μmol L?1（方法）。

 

2. 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義

 

O?實(shí)時(shí)調(diào)控驗(yàn)證：電極數(shù)據(jù)證實(shí)乙酸鹽添加后O?濃度維持<1 μmol L?1（圖3），為HydA激活提供直接證據(jù)。

 

產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)：H?濃度峰值（125 μmol L?1）與O?最低點(diǎn)同步（圖3），揭示PSII抑制與H?產(chǎn)生的時(shí)空耦合。

 

系統(tǒng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)：連續(xù)PBR中O?穩(wěn)定低于檢測(cè)限（圖4），確認(rèn)乙酸鹽持續(xù)抑制放氧。

 

3. 研究意義

 

機(jī)制解析工具：Unisense電極量化了“乙酸鹽-PSII抑制-O?耗盡-HydA激活”的因果鏈，替代傳統(tǒng)硫饑餓法。

 

工藝優(yōu)化依據(jù)：實(shí)時(shí)O?數(shù)據(jù)指導(dǎo)光照/底物投加策略，避免反應(yīng)器局部氧積累導(dǎo)致的產(chǎn)氫中斷。

 

技術(shù)普適性：適用于各類光生物反應(yīng)器，為廢水產(chǎn)氫系統(tǒng)在線監(jiān)控提供標(biāo)準(zhǔn)方案。

 

總結(jié)

 

本研究通過Unisense微電極技術(shù)揭示：乙酸鹽廢水通過抑制PSII放氧（O?<1 μmol L?1），在100 μmol m?2 s?1光照下實(shí)現(xiàn)高效連續(xù)產(chǎn)氫（108±4 μmol L?1）。光強(qiáng)超過150 μmol m?2 s?1時(shí)，光抑制導(dǎo)致Chl a降解及HydA活性下降，H?產(chǎn)量降低20%。該研究為廢水處理與清潔能源聯(lián)產(chǎn)提供了技術(shù)原型和理論依據(jù)。