Advances in pretreatment methods for degradation of algal biomass by microbial fuel cells

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1133

Abstract

Abstract:

Microbial fuel cells（MFCs） are capable of converting chemical energy into electrical energy while degrading organic matter， and their characteristics in degrading algal biomass have attracted much attention in recent years. However， the complex composition of algal cell walls hinders the degradation of algal biomass in microbial fuel cells. In order to improve the efficiency of microbial fuel cells in degrading algal biomass， pretreatment of algal biomass is usually required to destroy the algal cell wall and release biological matrix and to decompose the refractory macromolecular organic matter into easily degradable micromolecular organic matter. The pretreatment methods currently applied to microbial fuel cells for degradation of algal biomass were reviewed， including physical pretreatment methods such as mechanical， heating， microwave and ultrasonic methods， chemical pretreatment methods such as acid， alkali and oxidation， biological pretreatment methods with enzymes or microbial cells （bacteria or fungi） as catalysts， and combined pretreatment methods. The energy consumption and economics of these pretreatment methods were evaluated， and the integrated or compact microbial fuel cell system coupling the algal biomass pretreatment process with the degradation process was introduced， with a view to providing some reference and basis for future research on the combination of microbial fuel cell systems with other algal biomass pretreatment methods.

Key words: microbial fuel cell, algae biomass, algal cell wall, pretreatment, degradation

摘要：

微生物燃料电池（MFCs）能够在降解有机物的同时将化学能转化为电能，近年来其独特的能源环境效应在降解藻类生物质方面引起广泛关注。然而，成分复杂的藻类细胞壁会阻碍藻类生物质在微生物燃料电池中的降解。为了提高微生物燃料电池降解藻类生物质的效能，通常需要对藻类生物质进行预处理，破坏藻类细胞壁使生物基质释放，并将难降解的大分子有机物分解为易降解的小分子有机物。综述了目前应用于微生物燃料电池降解藻类生物质的预处理方法，包括机械法、加热法、微波法和超声波法等物理预处理法，酸、碱、氧化等化学预处理法，酶或微生物细胞（细菌或真菌）作催化剂的生物预处理法，以及上述多种预处理方法耦合的联合预处理法。评估了这些预处理方法的能耗和经济性，并对藻类生物质预处理过程与降解过程耦合的集成化或紧凑型微生物燃料电池系统进行介绍，以期为今后微生物燃料电池系统与其他藻类生物质预处理方法的结合研究提供一定参考和依据。

关键词: 微生物燃料电池, 藻类生物质, 藻类细胞壁, 预处理, 降解

CLC Number:

X703

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https://www.iwt.cn/EN/Y2022/V42/I12/17

Figures/Tables 3

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藻类生物质	预处理方法		预处理时间/min	COD去除率/%	最大输出功率密度/（mW·m^-2）	阳极库仑效率/%	阳极微生物主要菌群	文献
小球藻（Chlorella vulgaris）	物理预处理	喷雾干燥	—	60	980	28	—	〔13〕
石莼藻（Ulva lactuca）		热鼓干燥+机械研磨	—	73	760	23	—	〔13〕
小球藻（C. vulgaris）		加热	1 440	—	72.5	—	—	〔20〕
糖褐藻（Laminaria saccharina）		微波处理	20	65	118	1.2	—	〔24〕
糖褐藻（L. saccharina）		高温高压	15	88	218	1.3	—	〔24〕
铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）		超声波处理	20	81	4 140^a	22±2	—	〔28〕
小球藻（C. vulgaris）		加热处理+高压超声	120	65.2	1 070	61.5	梭状芽孢杆菌属的一种（VadinBC27-group），纤维素类杆菌（Bacteroidescellulosilyticus），微丝菌（Candidatus microthrix），红球菌属的一种（Rhodococcus sp.），罗姆布茨菌属的一种（Romboustia sp.）	〔39〕
铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）		冷冻干燥+机械研磨	—	67.5	83	7.6	微嗜酸寡养单胞菌（Stenotrophomonas acidaminiphila），黏质沙雷氏菌（Serratiamarcescens），人苍白杆菌（Ochrobactrumanthropic），拟杆菌（Dysgonomonasmossii），金黄杆菌（Chryseobacteriumkoreenese），申氏杆菌（Shinellazoogloeoides），假单胞杆菌属的一种（Pseudomonas sp.），梭状芽孢杆菌属的一种（Clostridium sp.vadinBC27-group ）	〔4〕
藻泥	化学预处理	碱处理	≥17 280	73	311	—	拟杆菌门（Bacteroidetes），厚壁菌门（Firmicutes），绿湾菌门（Chloroflexi），放线菌门（Actinobacteria）	〔33〕
聚球藻（Synechococcus leopoliensis）	生物预处理	厌氧消化	9 600	—	10	—	—	〔5〕
墨西哥衣藻（Chlamydomonasmexicana）		酵母菌厌氧发酵	4 320	85	88.6	—	—	〔37〕
石莼藻（U. lactuca）		基因修饰酵母菌	—	—	18±3	—	酵母菌	〔38〕
斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）	联合预处理	机械研磨+酸处理+高温高压	15	79.8^b	102	7.8	—	〔3〕
掌状褐藻（L.digitata）		机械研磨+生物酶	2 880	95	120±5	12.5	拟杆菌门（Bacteroidetes），厚壁菌门（Firmicutes），变形菌门（ Proteobacteria），广古菌门（Euryarchaeota），脱铁杆菌门（Deferribacteres），螺旋体门（Spirochaetes），绿湾菌门（Chloroflexi），放线菌门（Actinobacteria）	〔12〕
斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）		加热处理+机械研磨+酸处理	—	—	22	—	—	〔14〕
蓝藻（Cyanobacteria）		加热+碱处理+生物发酵	120	76.2	72	—	—	〔41〕
浒苔（Enteromorpha prolifera）		高温+酸处理	2 880	76.1	1 027	69.1	—	〔42〕

藻类生物质	预处理方法		预处理时间/min	COD去除率/%	最大输出功率密度/（mW·m^-2）	阳极库仑效率/%	阳极微生物主要菌群	文献
小球藻（Chlorella vulgaris）	物理预处理	喷雾干燥	—	60	980	28	—	〔13〕
石莼藻（Ulva lactuca）		热鼓干燥+机械研磨	—	73	760	23	—	〔13〕
小球藻（C. vulgaris）		加热	1 440	—	72.5	—	—	〔20〕
糖褐藻（Laminaria saccharina）		微波处理	20	65	118	1.2	—	〔24〕
糖褐藻（L. saccharina）		高温高压	15	88	218	1.3	—	〔24〕
铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）		超声波处理	20	81	4 140^a	22±2	—	〔28〕
小球藻（C. vulgaris）		加热处理+高压超声	120	65.2	1 070	61.5	梭状芽孢杆菌属的一种（VadinBC27-group），纤维素类杆菌（Bacteroidescellulosilyticus），微丝菌（Candidatus microthrix），红球菌属的一种（Rhodococcus sp.），罗姆布茨菌属的一种（Romboustia sp.）	〔39〕
铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）		冷冻干燥+机械研磨	—	67.5	83	7.6	微嗜酸寡养单胞菌（Stenotrophomonas acidaminiphila），黏质沙雷氏菌（Serratiamarcescens），人苍白杆菌（Ochrobactrumanthropic），拟杆菌（Dysgonomonasmossii），金黄杆菌（Chryseobacteriumkoreenese），申氏杆菌（Shinellazoogloeoides），假单胞杆菌属的一种（Pseudomonas sp.），梭状芽孢杆菌属的一种（Clostridium sp.vadinBC27-group ）	〔4〕
藻泥	化学预处理	碱处理	≥17 280	73	311	—	拟杆菌门（Bacteroidetes），厚壁菌门（Firmicutes），绿湾菌门（Chloroflexi），放线菌门（Actinobacteria）	〔33〕
聚球藻（Synechococcus leopoliensis）	生物预处理	厌氧消化	9 600	—	10	—	—	〔5〕
墨西哥衣藻（Chlamydomonasmexicana）		酵母菌厌氧发酵	4 320	85	88.6	—	—	〔37〕
石莼藻（U. lactuca）		基因修饰酵母菌	—	—	18±3	—	酵母菌	〔38〕
斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）	联合预处理	机械研磨+酸处理+高温高压	15	79.8^b	102	7.8	—	〔3〕
掌状褐藻（L.digitata）		机械研磨+生物酶	2 880	95	120±5	12.5	拟杆菌门（Bacteroidetes），厚壁菌门（Firmicutes），变形菌门（ Proteobacteria），广古菌门（Euryarchaeota），脱铁杆菌门（Deferribacteres），螺旋体门（Spirochaetes），绿湾菌门（Chloroflexi），放线菌门（Actinobacteria）	〔12〕
斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）		加热处理+机械研磨+酸处理	—	—	22	—	—	〔14〕
蓝藻（Cyanobacteria）		加热+碱处理+生物发酵	120	76.2	72	—	—	〔41〕
浒苔（Enteromorpha prolifera）		高温+酸处理	2 880	76.1	1 027	69.1	—	〔42〕

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