微生物电化学库仑法测定厌氧消化出水中挥发性脂肪酸的潜力

马惟奇，王宗萍，高阳阳

(1.中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714；2.中国科学院大学，北京 100049)

挥发性脂肪酸(VFAs)能反映出厌氧消化过程中甲烷菌的状态或者反应条件的变化，出水VFAs是厌氧消化过程中的重要控制指标。目前，工业中常用的测定厌氧消化过程中VFAs的方法是蒸馏-滴定法[1]，其在酸性条件下将水样中的VFAs蒸馏出来再用氢氧化钠溶液进行滴定测定，此方法操作较为繁琐、准确度不高而且不能实现在线监测。除此之外，已有文献报道的测定VFAs的方法主要有气相色谱法(GC)、液相色谱法(LC)和毛细管电泳法(CE)。GC[1]、LC[2]和CE[3]的主要原理是利用物质的沸点、极性、电荷、等电点、吸附性能、亲和行为、相分配特性等的不同将各物质分离出来并结合适当的检测器进行测定及分析。Ullah[5]等人利用热解吸-气相色谱法(TD-GC)测定了VFAs，重现性好且回收率高。Cerqueira[6]等人利用高效液相色谱-二极管阵列检测器法(HPLC-DAD)测定了VFAs，线性相关度高(R2> 0.996)，准确度较好(89%～102%)；Kong[7]等人采用磷酸三丁基辅助中空纤维液相微萃取-毛细管电泳-耦合非接触电导检测法(HF-LPME/CE-C4D)测定了VFAs，灵敏度高、线性相关度好(R2> 0.98)。不过这些方法均存在运行及维护成本高、对设备要求高、难以实现在线监测等问题。

微生物电化学系统，主要包括微生物燃料电池(MFC)、微生物电解池(MEC)等，在生化需氧量[8]及毒性物质[9]等的测定中已有广泛的研究，主要原理是利用库伦量[10]、电流[11]等与物质浓度的关系对物质进行测定，其成本低、操作简单且可以用于在线监测，具有较大的应用潜力。VFAs是适用于微生物电化学系统的有机底物，本文基于MFC研究了库伦密度与VFAs浓度的关系，探讨了利用微生物电化学库仑法测定厌氧消化出水中VFAs的可行性。

1 材料与方法

1.1 MFC的构建及启动

图1 MFC的结构及原理

本文采用双室空气阴极MFC系统，结构及原理如图1所示。MFC阳极室的体积约为7 mL、阴极室的体积约为14 mL，阳极室和阴极室之间用质子膜隔开；以不锈钢网为基体贴合经过亲水性处理的碳布作为MFC的阳极，其生物相容性好、导电性强且结构稳定；以碳布为基体负载Pt/C催化剂作为MFC的阴极，其导电性好、催化活性高，此阴极直接与空气接触，空气可以透过阴极进入阴极室为阴极提供氧气作为电子受体。阳极和阴极之间通过导线连接1000 Ω的固定电阻作为外电阻组成电回路，外电阻的两端连接电压采集器。

实验中以模拟厌氧出水VFAs组分的溶液作为水样进行分析与测试，其中的有机物为乙酸钠、丙酸钠、丁酸钠、甲酸钠，四者的物质的量浓度比为10∶2∶2∶1。MFC的阳极溶液除有机物外还包含磷酸盐缓冲液(4.68 g/L NaH2PO4和8.66 g/L Na2HPO4)、0.13 g/L KCl、0.31 g/L NH4Cl、5 mL/L维生素、12.5 mL/L微量元素，维生素及微量元素的组分如表1所示，MFC的阴极溶液是磷酸盐缓冲液(4.68 g/L NaH2PO4和8.66 g/L Na2HPO4)，磷酸盐缓冲液的主要作用是维持系统的pH以及提供一定的电导率，KCl、NH4Cl、维生素及微量元素则是微生物生长所需。从实验室中已有的长期稳定运行的MFC的阳极室中取菌液进行接种，与曝氮气至厌氧状态的模拟厌氧出水VFAs组分的阳极溶液混合后注入MFC的阳极室并封闭进样口，阴极溶液无需曝气直接注入MFC的阴极室并封闭进样口，将MFC放置在恒温30℃的培养箱中运行，外接电压采集器，根据电压变化情况更换MFC中的阳极溶液和阴极溶液，每次注入阳极溶液之前都需要将其曝氮气至厌氧状态，当MFC的电压输出达到稳定时即可视为启动完成并进行下一步的实验。

表1 维生素及微量元素的组分

1.2 实验方法

以模拟厌氧出水VFAs组分的阳极溶液为水样，配制VFAs浓度(以H+浓度计)分别为1、2、3、4、5 mmol/L的溶液在MFC中同时进行测定，通过电压采集器采集测定过程中的电压，以注入水样后MFC的首个输出电压作为测定过程的起点，以MFC运行过程后期基本保持不变的输出电压(电压变化小于 1 mV/s)作为测定过程的终点。首先对测定过程的电压-时间曲线进行分析并建立库伦密度与VFAs浓度的关系，库伦密度以MFC输出的库伦量(即电量，单位以库仑计)与阳极水样的体积之比表示，其次通过研究VFAs在MFC中的库伦效率及COD去除率分析了其在MFC中的产电及降解特性，库伦效率以实际库伦量与理论库伦量之比表示、COD去除率以去除的COD与总COD之比表示，最后研究了测定前后MFC的pH及电导率环境的变化。库伦密度、库伦效率、COD去除率的计算公式如下：

式中，Q—实际库伦量，U—采集的电压，R—外电阻，t—时间，VAn—阳极水样体积，M—氧气的摩尔质量，F—法拉第常数，ΔCOD—测定前后水样COD差值，COD—测定前水样COD值。

2 结果与讨论

2.1 测定曲线的分析

在MFC中微生物通过降解有机物并向外输出电子产生电流从而形成了电压，输出电压的大小反映了MFC向外传递电子速率的大小。不同浓度的模拟厌氧出水VFAs组分的阳极溶液在MFC中测定时的电压-时间曲线如图2所示。对于不同浓度的VFAs，在测定的主要阶段MFC的输出电压均较高，最大输出电压均在400 mV以上，这表明在MFC中微生物可以利用VFAs较为快速地向外传递电子、输出库仑量，而且在输出电压较高的情况下测定过程就不会轻易受到微生物内源呼吸产生的电压的干扰，有利于测定过程的稳定性。

2.2 微生物电化学库仑法的建立

图3 库伦密度与VFAs浓度的关系

理论上来说VFAs的量越多，MFC输出的库伦量就越多，MFC中单位水样体积的库伦量与水样中的VFAs浓度存在对应关系，通过分析MFC输出的库伦密度与VFAs浓度的关系可以建立测定VFAs的微生物电化学库仑法。不同浓度的模拟厌氧出水VFAs组分的阳极溶液的库伦密度与VFAs浓度的关系如图3所示。由图可以看出，在1～5 mmol/L的范围内，库伦密度与VFAs的浓度具有良好的线性相关性，相关系数R2高达0.9998，库伦密度与VFAs浓度的关系如下式：

Y=665.68X-275.74

式中，Y—库伦密度，C/L；X—VFAs浓度，mmol/L。

2.3 库伦效率及COD去除率的分析

MFC的库伦效率可以反映微生物在降解有机物时将化学能转化为电能的效率，COD去除率则可以反映有机物在MFC中的降解效率。不同浓度的模拟厌氧出水VFAs组分的阳极溶液在MFC中测定时的库伦效率及COD去除率如图4所示。不同浓度的VFAs在测定时MFC的库伦效率均较高，均在60 %以上，由此可见，微生物在MFC中降解VFAs时将化学能转化为电能的效率较高，MFC能够有效地输出库伦量。不同浓度的VFAs在测定时MFC的COD去除率也较高，均在50 %以上，由此可见，VFAs在MFC中的降解效率较高、可生物降解性较好。结合库伦效率及COD去除率来看，在MFC中微生物主要通过产电途径降解VFAs、能够有效地降解VFAs并输出库伦量，有利于VFAs的测定。

图4 在MFC中测定VFAs时的库伦效率及COD去除率

2.4 pH与电导率环境的变化

图5 在MFC中测定VFAs时的pH及电导率变化，“in”表示测定前，“out”表示测定后

在MFC中，合适且稳定的pH及电导率环境是维持系统稳定性及测定准确性的一个重要因素。对于不同浓度的模拟厌氧出水VFAs组分的阳极溶液，在MFC中测定VFAs的前后，阳极溶液及阴极溶液的pH及电导率变化如图5所示。在测定前后，阳极溶液的pH略有降低，H+是阳极反应的产物之一，可能是H+浓度的升高导致了阳极溶液pH的下降，而阴极溶液的pH略有升高，氧气在阴极被还原导致碱度升高可能是阴极溶液pH上升的原因，不过阳极溶液及阴极溶液的pH变化不大且均维持在7左右，适合于微生物的生长和繁殖，这种程度下的pH变化不会明显影响测定过程。在测定前后，阳极溶液的电导率略有降低，VFAs被降解、浓度降低可能导致了阳极溶液电导率的下降，而阴极溶液的电导率略有升高，H+往阴极的迁移可能导致了阴极溶液电导率的上升，不过阳极溶液及阴极溶液的电导率变化不大且均较高，维持在9 mS/cm左右，适合于电子的传输，这种程度下的电导率变化不会明显影响测定过程。

3 结论

本文基于MFC研究分析了微生物电化学库伦法在测定厌氧消化出水VFAs中的可行性，MFC的库伦密度与VFAs浓度的线性相关系数高达0.9998，测定过程中，MFC的输出电压均较高，VFAs的产电效率及降解效果均较理想，MFC的pH及电导率环境均较稳定。这表明微生物电化学库仑法在测定厌氧消化出水VFAs中具有极大的应用潜力，本文为厌氧消化出水中VFAs的测定提供了一个新的方向。不过实际厌氧出水成分及条件更为复杂，需要根据实际情况对利用微生物电化学库仑法测定厌氧出水VFAs的具体过程进行优化。