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2019年我国城市污水处理厂湿污泥产量高达4646万吨,而每年通过农业生产过程产生的作物秸秆风干重产量更是达到9亿吨,从能量平衡的角度计算相当于0.23亿吨标准油。厌氧消化技术可从污泥等废弃生物质中回收有价资源,但存在停留时间长,能源转化效率低等弊端。而电子传递过程受限是导致厌氧消化能量转化率低下的重要因素,有研究人员发现生物电化学系统(MEC-AD)能强化废弃生物质厌氧消化的电子传递,提高能量转化效率,但机制尚不明确。以剩余污泥、秸秆水解液等复杂废弃生物质为底物时,其有机组分复杂,且存在有机物释放和降解的动态过程,不便于机制分析,而蛋白质在各类废弃生物质中均占有很高的比重,因此本课题围绕外电压驱动前后电子传递过程和功能菌群代谢规律的变化展开工作,以牛血清白蛋白(BSA)模拟污泥蛋白组分,首先对外加电压驱动(0.6V)后不同浓度蛋白质厌氧消化的强化效能进行研究,以探究外电压对厌氧消化的主要强化阶段;其次对外电压驱动后群落组成变化与功能菌群演替进行分析,最后通过外电路电子转移量进行衡算,揭示胞外直接电子传递(Direct Interspecies Electron Transfer,DIET)的产甲烷贡献占比,结合热力学分析和DIET理论模型的构建,对MEC-AD对甲烷效能提升的机制进行解析。通过对不同浓度蛋白质在施加外电压前后的厌氧消化产甲烷效能对比,发现在反应器未酸败时MEC-AD不能改变蛋白质厌氧消化产甲烷总量,但能有效提升产甲烷速率,以5 g/L BSA为底物的条件下产甲烷速率提升了45.6%;以高浓度蛋白质(15 g/L)为底物的条件下,MEC-AD能有效降低反应器挥发酸的积累量,乙酸和丙酸积累量分别降低了64.9%和60.6%,甲烷产量也提高了225%。外电压驱动对三个浓度梯度的蛋白质水解速率均没有影响,但挥发酸的降解速率得到了明显提升,以800 mg/L和5 g/LBSA为底物时,挥发酸利用速率分别提升了42.8%和78.9%。llumina Miseq高通量测序结果显示,外电压驱动后,阴阳极群落多样性降低,差异性明显增大;外电压驱动后阳极有助于发酵细菌的定向富集,平均丰度提升了46%,阴极有助于产甲烷菌的定向富集,平均丰度提升了406.9%;在外电压驱动后,阴极嗜氢型产甲烷菌Methanobacterium的丰度占比由10.4%提升至84.3%,阴极产甲烷路径由嗜乙酸型向嗜氢型转变。外电路电子衡算结果显示:MEC-AD通过外电路传递产甲烷量为96.05 m L约占总产气量的10%;MEC扣除DIET途径理论产甲烷量后的平均产甲烷速率仍是AD反应器的2.3倍,加电刺激后MIET途径的强化是MEC-AD厌氧消化速率提升的主要因素。通过热力学分析发现,外电压驱动后阴极电势可降低至-0.9 V左右,达到阴极嗜氢型产甲烷菌代谢所需电势。在此条件下,氢营养型△G0(以CH4计)=-135k J/mol,乙酸营养型△G0(以CH4计)=-33 k J/mol,氢营养型产甲烷代谢吉布斯自由能更负,反应发生优先级高于嗜乙酸型代谢,或使体系产甲烷过程由乙酸营养型向产能效率更高、代谢速率更快的氢营养型转变,提升了MIET途径的产甲烷速率。其次,和H+相比,Fd、F420以及Co B-S-S-Co M的标准电极电势更高,得电子能力更强,在施加外电压后,外电路的存在打通了DIET通路,电子进入胞内后或从三个节点参与产甲烷代谢过程,绕过产氢过程,克服了体系中氢气传质阻力带来的限制,加速了电子传递速率。