微生物电解电池(Microbial electrolysis cell，MEC)产氢新技术于2005年首次提及和报道，实现以发酵末端产物乙酸盐为唯一碳源获得氢气^[1]，其原理与传统的厌氧发酵产氢完全不同^[2]。这种在较小的外加电压(<1.0 V)下通过阳极电子传递菌实现的电化学辅助微生物产氢新方法，具有对小分子有机质的高效转化能力(电子转化率和氢气还原率均可达90%以上)，同时也能够利用更加复杂的碳源(如纤维素)直接产生氢气^[3]。尽管MEC尚处于实验室规模探索阶段，但是因其原理上所展现出从废水中高效回收生物能源的巨大潜力而成为环境前沿领域新技术之一。MEC反应器的构建与放大是未来应用于废水处理的关键技术核心，尚有众多关键技术难点难以解决，少量放大试验研究获得的产氢效果并不理想^[4]，其中一个主要问题表现在电极功能菌群的富集与电子传递效能尚难以有效控制和调控^{[5, 6, 7]}。

MEC技术是在微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)的基础上发展出现的，典型的双极室MFC反应器构型也是普遍采用的微生物电解电池的构型方式^[1]。从原理上MEC与MFC具有相同的功能微生物，包括能够细胞外电子传递的功能菌和其他协作的功能菌，一般认为在功能菌上二者没有实质的差别。具备直接电子传递功能的功能菌陆续在MFC阳极生物膜中分离，其中一些在反应器运行中曾被报道具有很高的电子传递能力，包括希瓦菌属(Shewanella)^[8]、土杆菌属(Geobacter)^[9]、假单胞菌属(pseudomonas)、脱硫弧菌类(Desulfovibrio)^[6]等。因此，通常MEC的启动方式基本都是采用先以MFC产电运行的方式驯化获得相应的功能菌群，然后转变阴极室操作条件将MFC反应器转变为MEC反应器运行的方法^{[10, 11]}。通常很少研究直接通过MEC反应器进行分离，一方面是认为二者的功能菌群一致，另一方面MEC技术远没有MFC研究广泛。但是相关研究表明，二者因外加电压等运行条件的“微小”差异导致了阳极群落结构的显著差异，同时这种差异能够影响反应器的运行效能^[12]。

本研究采用不同驯化方法构建MEC电极微生物菌群，分别以产电MFC阳极生物膜和产氢MEC阳极生物膜为不同菌源启动双极室MEC，通过单链构象多肽性技术(Single-strand lonformation poly-morphism technique，SSCP)快速检测分析启动后电子传递功能菌群特征。基于启动后MEC电子传递效率和产氢效率对不同接种方式形成的阳极功能菌群结构进行分析，深入探讨优化启动条件下的主要电子传递功能菌群特征。

1 材料与方法 1.1 两极室 MEC 反应器启动及运行 1.1.1 反应器构型：实验采用长方体型双极室反应器，在传统“H”构型反应器基础上进一步改进和优 化^{[13, 14]}，新型两极室MEC反应器采用厚度为5 mm的甲基丙烯酸甲酯有机玻璃，单室容积为340 mL，质子交换膜面积为25 cm²，两电极之间的距离为 4 cm (图 1)。阳极为不防水的碳布，面积为36 cm²，阴极为镀有0.35 mg/cm²铂的碳纸，面积为9 cm²。实验中采用质子交换膜隔离两个极室，使用之前需要依次在30% H₂O₂、去离子水、0.5 mol/L H₂SO₄及去离子水中各煮沸1 h，然后保存在去离子水中备用^[15]。

1.1.2 人工模拟废水：用于双极室MEC反应器运行的阳极室模拟废水，每升溶液中含有KCl 0.1 g，NH₄Cl 0.2 g，NaH₂PO₄ 0.6 g，NaHCO₃ 2.5 g，Wolfe微量维生素混合液10 mL/L，Wolfe微量矿物元素混合液10 mL/L，碳源为简单模式底物乙酸钠 10 mmol/L。而阴极室为磷酸盐缓冲液(10 mmol/L磷酸盐缓冲液，pH 7.0)，灭菌后备用，每升溶液含有NaH₂PO₄·2H₂O 5.618 g，Na₂HPO₄·12H₂O 6.155 g。

1.1.3 反应器接种菌源：实验采用运行1个月以上的小体积双极室产电MFC和双极室产氢MEC反应器(单室容积<100 mL)的阳极生物膜，分别以两种已经驯化的电极生物膜菌群作为MEC反应器启动菌源。以10%的接种量接入人工模拟废水直接启动新型MEC反应器，辅助外加电压固定为0.5 V。电路电流通过与反应器串联的10欧姆电阻测量获得(Keithley数据记录仪，model 2700，Keithley Instruments，Inc.)。反应器运行采用序批式操作，当反应器运行稳定的电路电流低于0.5 mA时更换阳极室模拟废水。

1.2 反应器效能计算 1.2.1 氢气转化效率计算：氢气转化效率(E_H)以实际产生氢气所需要的电量与阳极室微生物所处理有机底物的理论电量的比值，用来衡量体系处理有机底物转化为氢气的能力。以乙酸盐生成氢气为例，转化率为：E_H=Q_H/Q_T×100%

1.2.2 能量回收率计算：能量回收率(η_E)是MEC中实际氢气产生获得的能量与外加电源提供的电能的比值，用来衡量体系能量投入与产出的效率。

首先计算体系外加电压(E_ap)单位时间内(dt)所消耗的能量ΔW，通过累加后得到W_E=Σ(ΔW)=Σ(I·E_ap·dt)，根据电流与时间的积分计算Q=∫i·dt，那么上述公式推导为W_E=Q·E_ap，再计算产生氢气获得的能量W_H2=n·ΔH，其中n为氢气的物质的量，ΔH为氢气单位物质的量的热值， 285.83 kJ/mol。由此计算体系的能量回收率为η_E=W_H2/W_E×100%。

1.3 微生物群落结构及功能分析 1.3.1 样品采集与保存：(1) 样品的采集。对于悬浮菌液，反应器运行过程中从驯化启动到稳定运行定期取样，在一些特殊的操作变化时间点，如外加电压的变化、pH的调节、氢气产生速率变化以及突发事件等需要进行及时采样。为了防止对整体生物群落的干扰，对生物膜的采样一般在运行过程中并不频繁取样，根据实验设计需要采取对阳极碳布的部分剪取或者最终的生物膜刮取。

(2) 样品的保存和处理。悬浮液一般经过离心(10 000 r/min，10 min)去除上清液，所有样品存于-80 °C用于DNA的提取和分析。

1.3.2 群落结构分析：单链构象多肽性技术(SSCP)用于考察反应器内部的优势微生物群落结构及其演替过程^[16]。取0.5 ml样品，以细菌基因组DNA小量提取试剂盒(上海华舜)按产品说明书提取总DNA，最后用100 μl 2 mmol/L的Tris-HCl (pH 8.0-8.5)溶解纯化的DNA。将16S rRNA基因片段扩增，引物为BSF8/20 (5′-AGAGTTTGATCC TGGCTCAG-3′)和SRV3-2 (5′-TTACCGCGGCTG CTGGCA-3′)。PCR扩增产物^[17]，经过纯化和蛋白除去后，酶解产物(约100 ng) 10 μl与5 μl缓冲液混合后，热变性后上样。采用1×TBE缓冲液，12%的聚丙烯酰胺(加10%的甘油)，于20 °C下300 V电泳15 h。电泳结束后，将聚丙烯酰胺凝胶从玻板上剥下进行银染。选取含量较大或变化较大的条带按文献^[16]方法回收单链DNA，再扩增后克隆进T-载体(pMD18-T)，每条带选取5个克隆进行测序分析。将测得的序列通过RDP中的Sequence Match进行分类，利用软件Sequencher 5.0将相似性高于95%的序列归为同一个OTU，将不同的OTU通过BLASTn与数据库中的序列进行对比分析。

2 结果与讨论 2.1 产电MFC阳极生物膜接种MEC后群落变化

产电MFC阳极以产电方式(负载500 Ω)运行 1个月后，底物处理效率可以达到70%-80%，体系的输出功率为126 mW/m² (阳极表面积)，衡量底物转化为电路电能的库仑效率可以达到15%。将该阳极生物膜菌群作为接种液启动新的MEC反应器(外加电压0.5 V)，MEC反应器运行第2天电流呈现上升趋势，第3天氢气积累检测量达到20 mL以上，乙酸盐到氢气转化率达到21%，COD去除率达到80%以上，能量回收效率85% (表 1)。持续稳定运行30 d，COD去除效率达到85%，氢气转化效率达到30%左右，能量回收效率达到95%。

该过程的群落结构变化如图 2所示，对图 2中的显著性条带1-14进行克隆分析(表 2)，最相似类群结果发现37个克隆子主要分布于4个门，各门所占比例为：Chloroflexi 8%，Proteobacteria 44%，Actinobacteria 8%，Bacteroidetes 40%。目前微生物燃料电池研究中发现的大部分具有细胞外电子传递功能的微生物都属于Proteobacteria。反应器以MFC模式运行5 d左右，阳极室可以形成稳定的生物群落结构，在后续运行的35 d中，群落结构仅有微小的变化。以其生物膜启动MEC时，群落变化随时间变化比较明显，其中条带2、3、4、8、9和14有所富集，而条带13中的微生物则被淘汰。富集条带2、3、4和8所指示的最相似Pseudomonas sp.，是目前MFC中研究最多的功能菌属之一。报道中对该菌属Pseudomonas aeruginosa KRP1的电子传递机制研究发现^[18]，该菌株可以通过绿脓菌素和吩嗪-1-羧酸将电子传递至阳极，而且在阳极能促进这两种物质的生成。这两种物质在电子传递过程是必需的，绿脓菌素生成菌生成的绿脓菌素不仅可以提高自生的产电能力，还能提高其他非绿脓菌素生成菌的电子传递能力，即这种分泌物质可以作为介体或者电子穿梭体提高相关功能细菌的电子转移率。另外的富集条带为9和14，均为Ochrobactrum菌属^[19]，该菌最近在MFC中分离得到，具有独立的电子传递能力。所淘汰的条带13序列相似的菌属为Sulfurovum，该菌是具有硫酸盐还原功能的嗜

温化能自养型微生物，该菌属的菌株能够以单质硫或硫代硫酸盐为电子供体，以氧或硝酸盐为电子受体，营化能自养生长。除此之外，与条带11序列最相似的菌属Flavobacterium，在整个过程中一直存在，该菌属被认为有电化学活性，但是报道很少，目前用于燃料电池氧化还原酶活性指示菌。其他7个条带中的菌基本为发酵和糖代谢相关的厌氧菌，在新的群落中依然存在。由此可见，产电生物膜群落中与电子传递相关的微生物在MEC中得到较快的富集，而其他厌氧菌依然构成新的阳极生物膜，仅有个别菌在新群落形成过程消失和减少。

结果表明采用已经驯化的MFC反应器阳极生物膜菌群启动后在新电极生物膜构成类群上比较集中和简单，新形成的阳极微生物群落在功能上也比较集中和定向化。这个过程中阳极的生物膜菌群在MFC启动过程已经完成了菌群的竞争、富集与淘汰，在条件转变后会因条件的变化出现群落的调整。

2.2 产氢MEC阳极生物膜启动新型MEC阳极菌群变化

为了进一步揭示阳极生物膜菌群的群落之间存在的相互关系，以稳定形成的MEC (R1)阳极生物膜作为接种源，在完全一样的另一个MEC (R2)反应器中进行启动，通过SSCP跟踪分析微生物的群落演替过程。反应器以乙酸盐为唯一碳源，R1以活性污泥启动，在外加电压0.5 V下连续运行 3个月，库仑效率稳定在35%±4%氢气产率稳定在31%±3% (表 3)。在此状态下将其阳极生物膜刮取和冲洗用于反应器R2的接种，启动30 h后反应器已经能够产生电流，7 d左右库仑效率达到30%±5%，氢气产率达到20%±4%，连续运行1个月体系已经稳定，库仑效率为32%±4%，氢气产率为29%±4%，3个月后库仑效率和氢气产率与1个月时相比略有增加并稳定在38%±4%和31%±7%。COD的去除基本变化很小，从80%-83%平均为82%±1%。这些数据表明用已经驯化的生物膜群落启动新反应器可以在较短的时间内形成新的功能群落。

COD的去除率只达到80%左右，结合乙酸盐到氢气的库仑效率分析，80%的底物利用中仅有30%-40%的底物有效转化为电子传递到电极，这意味着能够进行细胞外电子传递功能的微生物只是一小部分，除此之外，其他的优势菌群消耗底物并未承担将电子传递到电极的功能。

对应表 3中关键效率分析时间点分别采集反应器R1悬浮菌液、R1阳极生物膜、R2接种2 d后的悬浮菌液、R2运行7 d后的生物膜、R2运行30 d的生物膜，获得群落SSCP结果(图 3)和序列分析结果(表 4)。在SSCP图谱中一共选择了10个条带进行了序列测序分析，序列相似性分析结果显示这些群落分布在12个微生物门类里。整体来说，我们将这些微生物涉及到4个功能群落：(1) 与有机物降解相关的，包括Stenotrophomonas (γ-Proteobacteria，G^-)和Lactobacillus (Bacilli，G⁺)；(2) 土壤微生物，包括Curtobacterium (Actinobacteria，G⁺)、Agrobacterium(α-Proteobacteria，G^-)、Flavobacterium (Bacteroidetes，G^-)和Bradyrhizobium (α-Proteobacteria，G^-)；(3) 已报道的电子传递功能菌，包括Pseudomonas (γ-Proteobacteria)、Desulfovibrio (δ-Proteobacteria)和Shewanella (γ-Proteobacteria)；(4) 其他的功能菌，包括Desulfonauticus、Xenohaliotis和Marinicola。

在SSCP图谱结果中可以看到有一些优势群落始终在R1与R2中检测到，Stenotrophomonas (条带E1)、Desulfovibrio (条带E2)、Pseudomonas (条带E3)、Agrobacterium (条带E4)、Bradyrhizobium (条带E8)和Shewanella (条带E10)。优势菌中Shewanella、Pseudomonas是已被广泛报道的电子传递功能菌，但是SSCP结果也同时表明其他与电子传递无直接相关性的菌群同样会在新生物膜中成为优势菌群。这与我们之前的预期有所不同，它们并没有在新的生物膜中消失甚至减少存在比例。这意味着电子传递功能菌与其他功能菌之间并未因为功能和生存竞争而导致某些成员的淘汰。因此我们推断这类生长优势的功能菌群在生物膜体系中必然起到他们特有的作用，根据相关报道分析推测应当与降解和利用不同底物相关^{[20, 21]}。

条带中Agrobacterium sp.和Bradyrhizobium sp.均与硝酸盐还原作用或者固氮作用相关联，另外一个检测到的优势菌属为Desulfonauticus，可以利用乙酸盐为底物还原硫酸盐或者硫代硫酸盐^[22]，因此这些微生物具有参与氧化还原过程的能力。作为潜在的电子传递贡献菌群，它们在体系中均是阳极生物膜微生物群落的主要成员。目前针对微生物燃料电池或者微生物电解电池微生物群落在体系中所起的具体作用尚存在争议。本研究的结果表明与电子传递相关的功能菌在电极生物膜群落中是比例较小的一部分，而其他共存微生物则是构成稳定的生物膜结构的重要因素，通过驯化的MEC阳极生物膜启动的新电极菌群中共存微生物增加了微生物多样性，这对处理更广泛的底物和不同负荷波动十分有利。因此，启动形成过程的群落变化对探索MEC工艺的功能菌群结构与功能的关系十分有意义。

3 结论

本研究针对产电MFC阳极生物膜和产氢MEC阳极生物膜两种不同的接种菌源，对启动后的MEC反应器底物去除与氢气转化效率进行了分析。通过阳极生物膜群落结构变化分析发现，采用微生物燃料电池阳极生物膜构建的MEC主要电子传递功能相关的菌群包括Pseudomonas sp.、Flavobacterium sp.、Ochrobactrum sp.，而直接由产氢MEC阳极生物膜新启动的MEC功能菌群组成包括电子传递效能更高的Desulfovibrio、Pseudomonas和Shewanella成为主要优势电子传递菌群。双极室MEC产氢反应器在功能菌群形成过程存在电子传递菌与其他功能菌群的底物竞争，导致库仑效率降低。以驯化好的MEC生物膜启动新的反应器时，菌群之间协作有助于阳极功能菌的底物快速降解。结果表明采用已经驯化的MFC反应器阳极生物膜菌群启动后在新电极生物膜构成类群上比较集中和简单，新形成的阳极微生物群落在功能上也比较集中和定向化。