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

從富含醋酸鹽的廢水中連續生產光合生物氫：光照強度的影響

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

 

一、摘要概述

 

本研究通過連續光生物反應器（PBR）實驗，揭示了光照強度對微藻（Chlamydomonas reinhardtii和 Chlorella sorokiniana）利用富含乙酸鹽的發酵廢水產氫（H?）的關鍵影響：

 

乙酸鹽的核心作用：發酵廢水中的乙酸鹽（~25 mM）通過結合PSII放氧復合體（OEC）的Cl?位點，有效抑制氧氣（O?）釋放，創造厭氧環境激活氫酶（HydA）（引言）。

 

光照強度的非線性效應：100 μmol m?2 s?1光照下H?產量最高（C. reinhardtii：108±4 μmol L?1；C. sorokiniana：88±7 μmol L?1），超過150 μmol m?2 s?1時發生光抑制，H?產量下降（圖1a, 圖4a,c）。

 

 

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

 

 

連續產氫可行性：在SRT=2.5天的連續PBR中，實現15天穩定產氫，驗證了廢水資源化與能源回收的協同潛力（圖4）。

 

 

二、研究目的

 

探究光照強度對產氫的影響機制：量化不同光照下H?產量、HydA活性及葉綠素a（Chl a）的動態變化（引言）。

 

驗證乙酸鹽廢水替代硫饑餓法的可行性：利用發酵廢水（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性（引言）。

 

優化光能轉化效率：通過LHCE評估系統能量效率，為規模化應用提供參數依據（材料與方法）。

 

三、研究思路

 

采用 批式與連續實驗結合 的雙模式驗證：

1. 批式實驗（短期機制解析）

 

光照梯度設計：50–300 μmol m?2 s?1光照強度（表1），監測H?產量、HydA活性、Chl a濃度（圖2）。

 

 

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

 

 

暗-光循環實驗：驗證光照對PSII活性的必要性（無光照時無H?產生）（圖3）。

 

 

2. 連續實驗（長期穩定性驗證）

 

反應器設計：400 mL PBR，SRT=2.5天，發酵廢水持續進料。

 

監測指標：H?/O?濃度（Unisense微電極）、HydA活性、乙酸鹽消耗、生物量（圖4）。

 

四、關鍵數據及研究意義

1. H?產量與光照強度的非線性關系（圖1a, 圖2a）

 

數據來源：批式實驗最大H?產量（圖1a）；生物量標準化H?產量（圖2a）。

 

結果：

 

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

 

150 μmol m?2 s?1時H?下降20%（光抑制）。

 

意義：明確產氫最優光照區間（100–150 μmol m?2 s?1），避免高光強導致的PSI電子傳遞鏈損傷。

 

2. 光能-氫能轉化效率（LHCE）（圖2d）

 

數據來源：式3計算能量效率。

 

結果：50 μmol m?2 s?1時LHCE最高（1.61%），300 μmol m?2 s?1時降至0.28%。

 

意義：低光強雖效率高，但絕對產氫量低；100 μmol m?2 s?1平衡效率與產量。

 

3. HydA活性與Chl a響應（圖2b,c）

 

數據來源：體外HydA活性測定；Chl a分光光度法。

 

結果：

 

HydA活性與H?產量正相關（r= 0.92, P< 0.01）。

 

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

 

意義：Chl a減少反映PSII光抑制，直接限制電子供應至HydA。

 

4. 連續產氫穩定性（圖4a,c）

 

數據來源：15天PBR運行數據。

 

結果：100 μmol m?2 s?1下平均H?產量穩定（C. reinhardtii：108±4 μmol L?1）。

 

意義：驗證乙酸鹽廢水可持續維持厭氧環境，支持長期產氫。

 

5. 乙酸鹽消耗與代謝產物（圖4e）

 

數據來源：GC測定VFAs（乙酸鹽、丁酸鹽）。

 

結果：乙酸鹽持續消耗（25 mM→5 mM），丁酸鹽穩定（7.5 mM）。

 

意義：乙酸鹽主導O?清除與電子供應，丁酸鹽積累表明酸化代謝路徑。

 

五、結論

 

乙酸鹽的核心性：發酵廢水中的乙酸鹽通過阻斷PSII放氧，替代硫饑餓法實現可持續厭氧環境。

 

光強優化窗口：100 μmol m?2 s?1為最佳光照強度，平衡產氫量（108±4 μmol L?1）與能量效率（LHCE=1.61%）。

 

光抑制機制：>150 μmol m?2 s?1導致Chl a降解及HydA活性下降，H?產量降低20%。

 

連續運行可行性：SRT=2.5天的PBR實現15天穩定產氫，為廢水-能源聯產提供技術路徑。

 

六、丹麥Unisense電極數據的深度解讀

1. 技術原理與優勢

 

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

 

動態響應能力：秒級分辨率捕捉O?瞬態變化（如暗/光切換時O?驟降）（圖3）。

 

校準可靠性：預實驗H?/O?標準氣校準，誤差<±0.5 μmol L?1（方法）。

 

2. 關鍵發現與意義

 

O?實時調控驗證：電極數據證實乙酸鹽添加后O?濃度維持<1 μmol L?1（圖3），為HydA激活提供直接證據。

 

產氫動力學關聯：H?濃度峰值（125 μmol L?1）與O?最低點同步（圖3），揭示PSII抑制與H?產生的時空耦合。

 

系統穩定性監測：連續PBR中O?穩定低于檢測限（圖4），確認乙酸鹽持續抑制放氧。

 

3. 研究意義

 

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

 

工藝優化依據：實時O?數據指導光照/底物投加策略，避免反應器局部氧積累導致的產氫中斷。

 

技術普適性：適用于各類光生物反應器，為廢水產氫系統在線監控提供標準方案。

 

總結

 

本研究通過Unisense微電極技術揭示：乙酸鹽廢水通過抑制PSII放氧（O?<1 μmol L?1），在100 μmol m?2 s?1光照下實現高效連續產氫（108±4 μmol L?1）。光強超過150 μmol m?2 s?1時，光抑制導致Chl a降解及HydA活性下降，H?產量降低20%。該研究為廢水處理與清潔能源聯產提供了技術原型和理論依據。