第一作者：杨波&徐辉
通讯作者：杨波副教授&刘艳彪研究员
通讯单位：东华大学环境学院
论文DOI：10.1016/j.cej.2019.123211
图文摘要
成果简介
近日，东华大学环境学院杨波副教授和刘艳彪研究员团队在Chemical Engineering Journal上合作发表了题为“Role of GAC-MnO2 catalyst for triggering the extracellular electron transfer and boosting CH4 production in syntrophic methanogenesis”的研究论文。该工作在厌氧反应器优化设计（Bioresour. Technol., 2018；2017；2017）、厌氧处理难降解有机污染物（Bioresour. Technol., 2019；2018；Water. Sci. Technol., 2018）以及GAC强化厌氧污泥颗粒化过程（Chem. Eng. J., 2018；Bioresour. Technol., 2018）等前期研究基础上，针对单一纳米金属氧化物在强化厌氧消化应用中的现存问题，在GAC表面原位生成MnO2纳米颗粒，并成功应用于厌氧消化系统中。GAC作为良好的电子导体可加速厌氧系统内的电子传递；同时GAC表面负载的MnO2纳米颗粒在厌氧代谢过程中作为“催化剂”，通过Mn2+/Mn4+之间的往复循环来强化发酵细菌和产甲烷菌种间的直接电子传递，进而提高甲烷产率。此外，与单一纳米材料相比，该复合材料可有效解决单纯纳米MnO2在厌氧污泥系统混合不均匀、易团聚、易板结和易洗出等问题。
引言
厌氧生物处理技术是一种绿色低成本的处理技术，在废水处理和能量回收方面备受关注。厌氧代谢包括水解阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段以及产甲烷阶段。但受限于热力学条件，其产氢产乙酸过程往往不能自发进行。发酵细菌和产甲烷菌形成的种间氢/甲酸传递，能够有效克服有机物厌氧分解反应过程的热力学能垒，实现短链脂肪酸和醇类物质的互营氧化产甲烷过程。但这种传递方式容易受外界环境因素的影响。针对以上问题，本研究通过高锰酸钾氧化GAC制得GAC-MnO2纳米颗粒复合材料，GAC表面的固体形态的MnO2纳米颗粒在厌氧代谢的过程可以扮演一种“催化剂”，在发酵细菌和产甲烷菌形成直接种间电子传递体内系，固态的4价锰（MnO2）被发酵细菌利用还原为2价锰（Mn2+），后者作为电子供体可直接被产甲烷菌直接利用，同时Mn2+被氧化成MnO2。直接种间电子传递方式的形成可有效改善种间氢/甲酸传递过程。图文导读
MnO2纳米颗粒负载在GAC表面，提高了GAC的大比表面积和高孔隙率，增加了微生物的负载量和微生物活性；基于MnO2纳米颗粒的小尺寸特征，可有效缩短电子向电子受体的迁移距离，提升了电子传递效率；将GAC-MnO2纳米颗粒投加在厌氧污泥系统中，由于GAC的粒径较大，可确保MnO2在污泥系统混合均匀。由于Mn2+/Mn4+之间循环往复的氧化还原反应过程，锰在厌氧系统运行时的损耗较少，延长了MnO2纳米颗粒的使用寿命。
图1. 通过对污泥中EPS的空间分布的研究揭示潜在的胞外电子传递机理. Copyright 2019, Elsevier Inc.研究结果表明，与仅使用GAC或者MnO2的对照组相比，添加GAC-MnO2后，CH4的产生速率提高了36％。GAC-MnO2能够刺激了胞外聚合物质（EPS）的产生，而对腐殖质的产生具有抑制作用（图1）。 厌氧污泥中EPS的空间分布也直接影响着胞外电子转移的效率，富集在EPS层中的锰离子能够加速胞外电子的传递(图1)。高通量测序分析表明，Spirochaetaceae, Cloacibacterium, 和Treponema是厌氧系统内的优势细菌，同时嗜氢产甲烷菌（Methanobacterium）和嗜乙酸产甲烷菌（Methanosaeta）的相对丰度随着GAC-MnO2的添加均有所提高（图2）。本工作有望为开发更具实用性的强化厌氧消化的新型复合材料提供理论依据和技术支撑。
图2. 借助高通量测序技术研究系统内微生物（细菌和古菌）群落结构变化. Copyright 2019, Elsevier Inc.相关研究近期发表在环境领域知名期刊Chemical Engineering Journal。该研究得到了上海市科委（19DZ1204900），国家重点研发计划（2018YFF0215703），中央高校基金（2232019G-11），上海市自然科学基金（18ZR1401000）和上海市浦江人才计划（18PJ1400400）支持。该工作也得到了东华大学环境学院李方教授、宋新山教授和同济大学王志伟教授等的指导和支持。作者简介
杨波，博士/副教授，就职于东华大学环境科学与工程学院，中国印染行业协会环境保护技术专业委员会委员，长期从事印染废水和生活污水生物处理技术研究，对厌氧耦合高微生物浓度生物处理系统具有一定见解。在BT、CEJ等学术期刊发表论文40余篇，获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步奖5项，获授权发明专利12项。
徐辉，东华大学环境科学与工程学院在读博士生，主要从事废水厌氧生物处理技术研究。发表SCI论文7篇（第一作者发表3篇），获授权发明专利1项。
刘艳彪，博士/博导/研究员，现就职于东华大学环境科学与工程学院。主要从事废水处理与能源化领域的研究，近年来在电活性分离膜、光电催化氧化降解有机污染物和光催化燃料电池等方向取得了一系列原创性研究成果。以第一/通讯作者在Environmental Science ＆ Technology, Water Research和Applied Catalysis B: Environmental等环境领域著名期刊上发表SCI论文40余篇。研究成果总被引2500余次，H指数28。担任《中国化学快报》青年编委和Environmental Nanotechnology编委。备注：Permission for reuse of all figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2019, Elsevier Inc.参考文献: Bo Yang*, Hui Xu, Yanbiao Liu* et al. Role of GAC-MnO2 catalyst for triggering the extracellular electron transfer and boosting CH4 production in syntrophic methanogenesis, Chemical Engineering Journal, DOI: 10.1016/j.cej.2019.123211.
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719326233
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