Изучение возможности последовательного получения водорода и метана в однореакторной конфигурации периодического анаэробного сбраживания за счет одновременной стимуляции гидрогеназной активности и прямого межвидового переноса электронов

Растущие энергетические потребности человечества приводят к необходимости поиска и разработки технологий возобновляемых источников энергии. Наряду с этим, актуальным остается вопрос об утилизации большого количества органических отходов, образующихся в результате человеческой деятельности. Широкое распространение получили методы биодеградации отходов с одновременным получением биотоплива, основанные на процессах анаэробного сбраживания. Недавно был открыт процесс прямого межвидового переноса электронов (DIET) между синтрофными бактериями и метаногенными археями, не зависящий от промежуточных продуктов метаболизма. Также стало известно, что можно стимулировать перенос электронов между микроорганизмами при помощи электропроводящих материалов абиогенной природы, повышая общий выход биометана. Предыдущие исследования показали возможность увеличения эффективности двухстадийного анаэробного сбраживания при разложении органических отходов с получением биогаза за счет использования разнообразных стимулирующих материалов. В данной работе была исследована модель двухстадийного анаэробного сбраживания в одном реакторе при разделении стадий во времени за счет обогащения микробного сообщества термофильной водородпродуцирующей бактерией Thermoanaerobacterium thermosaсcharolyticum SP-H2. Для стимуляции водородной продукции в среду вносили 10 мг/л сульфата железа (II), а для активации прямого межвидового переноса электронов (DIET) - 10 г/л гранулированного активированного угля (GAC). Целью данной работы было опробование способа последовательной продукции водорода и метана в одном реакторе за счет одновременного поддержания низкого pH для снижения активности метаногенов, и внесения растворимого сульфата железа (II) и GAC для активации, соответственно, гидрогеназ и DIET. Эксперимент проводили в герметичных стеклянных флаконах объемом 120 мл при температуре 55^оС (термофильный температурный режим). В качестве инокулятов использовались термофильно сброженный осадок сточных вод, полученный с Люберецких и Череповецких очистных сооружений (метаногенный), и культура анаэробной термофильной бактерии T. thermosaccharolyticum SP-H2 (водородогенный). Во флаконах, содержащих одновременно GAC и сульфат железа (II), наблюдалась последовательная продукция водорода и метана. Эффективность протекания процесса была проанализирована с использованием модифицированного уравнения Гомперца. Согласно данным, полученным при сканирующей электронной микроскопии, на частицах гранулированного активированного угля, отобранных из флаконов GAC-Fe наблюдалось активное биообрастание, охватывающее все полости и выступы поверхности. На основании полученных данных, можно предположить протекание синтрофного разложения продуктов метаболизма, а также положительное влияние сульфата железа (II) на работу гидрогеназ. Таким образом опробованная оригинальная стратегия последовательной продукции водорода и метана в одном реакторе за счет разделения стадий во времени является перспективной для дальнейшего изучения и применения, в том числе с использованием реального субстрата.

1. . Ghimire A., Frunzo L., Pirozzi F., Trably E., Escudie R., Lens P. N., Esposito G. (2015). A review on dark fermentative biohydrogen production from organic biomass: process parameters and use of by-products. Applied Energy, 144, 73-95. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.01.045.

2. . Engineering ToolBox, (2003). Fuels - Higher and Lower Calorific Values. [Электронный ресурс] - URL: https://www.engineeringtoolbox.com/fuels-highercalorific-values-d_169.html (дата обращения 07.04.2022).

3. . Zhao Z., Li Y., Zhang Y., & Lovley D. R. (2020). Sparking anaerobic digestion: promoting direct interspecies electron transfer to enhance methane production. iScience 23 10 https://doi.org/10.1126/science.11965261794. https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101794.

4. . Nozhevnikova A. N., Russkova Y. I., Litti Y. V., Parshina S. N., Zhuravleva E. A., Nikitina A. A. (2020). Syntrophy and interspecies electron transfer in methanogenic microbial communities. Microbiology, 89(2), 129-147. https://doi.org/10.1134/S0026261720020101.

5. . Lubitz W., Ogata H., Rudiger O., Reijerse E. (2014). Hydrogenases. Chemical reviews, 114(8), 4081-4148. https://doi.org/10.1021/cr4005814.

6. . Cheng J., Li H., Ding L., Zhou J., Song W., Li Y. Y., Lin R. (2020). Improving hydrogen and methane co-generation in cascading dark fermentation and anaerobic digestion: the effect of magnetite nanoparticles on microbial electron transfer and syntrophism. Chemical Engineering Journal, 397, 125394. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125394.

7. . Wangь J., Wan W. (2009). Factors influencing fermentative hydrogen production: a review. International journal of hydrogen energy, 34(2), 799-811. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.11.015.

8. . Mullai P., Yogeswari M. K., Sridevi K. J. B. T. (2013). Optimisation and enhancement of biohydrogen production using nickel nanoparticles–A novel approach. Bioresource technology, 141, 212-219. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.03.082.

9. . Lin R., Cheng J., Ding L., Song W., Liu M., Zhou J., Cen K. (2016). Enhanced dark hydrogen fermentation by addition of ferric oxide nanoparticles using Enterobacter aerogenes. Bioresource technology, 207, 213-219. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.02.009.

10. . Taherdanak M., Zilouei H., Karimi K. (2016). The effects of Fe0 and Ni0 nanoparticles versus Fe2+ and Ni2+ ions on dark hydrogen fermentation. International Journal of Hydrogen Energy, 41(1), 167-173. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.11.110.

11. . Summers Z. M., Fogarty H. E., Leang C., Franks A. E., Malvankar N. S., Lovley D. R. (2010). Direct exchange of electrons within aggregates of an evolved syntrophic coculture of anaerobic bacteria. Science, 330(6009), 1413-1415. https://doi.org/10.1126/science.1196526.

12. . Ye J., Hu A., Ren G., Chen M., Tang J., Zhang P., … He Z. (2018). Enhancing sludge methanogenesis with improved redox activity of extracellular polymeric substances by hematite in red mud. Water research, 134, 54-62. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.01.062.

13. . Lee J. Y., Lee S. H., Park H. D. (2016). Enrichment of specific electro-active microorganisms and enhancement of methane production by adding granular activated carbon in anaerobic reactors. Bioresource technology, 205, 205-212. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.01.054.

14. . Zhang G., Shi Y., Zhao Z., Wang X., Dou M. (2020). Enhanced two-phase anaerobic digestion of waste-activated sludge by combining magnetite and zero-valent iron. Bioresource Technology, 306, 123122. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123122.

15. . Kovalev A. A., Kovalev D. A., Zhuravleva E. A., Katraeva I. V., Panchenko V., Fiore U., Litti Y. V. (2022). Two-stage anaerobic digestion with direct electric stimulation of methanogenesis: The effect of a physical barrier to retain biomass on the surface of a carbon cloth-based biocathode. Renewable Energy, 181, 966-977. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.09.097.

16. . Kovalev A. A., Kovalev D. A., Nozhevnikova A. N., Zhuravleva E. A., Katraeva I. V., Grigoriev V. S., Litti Y. V. (2021). Effect of low digestate recirculation ratio on biofuel and bioenergy recovery in a two-stage anaerobic digestion process. International Journal of Hydrogen Energy, 46(80), 39688-39699. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.239.

17. . Kovalev A.A., Kovalev D.A., Litti Yu.V., Katraeva I.V., Nozhevnikova A.N. Influnce of the recirculation ratio of the methanogenic digester effluent on the dynamics of biohydrogen formation in a two-stage process of anaerobic bioconversion of liquid organic waste. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2021;(01-03):34-46. Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2021.01.003.

18. . Kovalev A.A., Kovalev D.A., Litti Yu.V., Katraeva I.V. Biohydrogen Production in the Two-Stage Process of Anaerobic Bioconversion of Organic Substance of Liquid Organic Waste with Recycle of Digister Effluent. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2020 ;( 7-18):87-100. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.87-100.

19. . Sunyoto N. M., Zhu M., Zhang Z., Zhang D. (2016). Effect of biochar addition on hydrogen and methane production in two-phase anaerobic digestion of aqueous carbohydrates food waste. Bioresource technology, 219, 29-36. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2016.07.089.

20. . Park J. H., Kang H. J., Park K. H., Park H. D. (2018). Direct interspecies electron transfer via conductive materials: a perspective for anaerobic digestion applications. Bioresource technology, 254, 300-311. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.01.095.

21. . Wainaina S., Lukitawesa Kumar Awasthi M., Taherzadeh M. J. (2019). Bioengineering of anaerobic digestion for volatile fatty acids, hydrogen or methane production: a critical review. Bioengineered, 10(1), 437-458. https://doi.org/10.1080/21655979.2019.1673937.

22. . Litti Y. V., Zhuravleva E. A., Kovalev A. A.,Kovalev D. A., Katraeva I. V., Parshina S. N. (2021, December). Biohydrogen production from food processing wastewater by a newly isolated thermophilic bacterium. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 938, No. 1, p. 012017). IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1755-1315/938/1/012017.

23. . Wang M., Zhao Q., Li L., Niu K., Li Y., Wang F., ... & Fang X. (2016). Contributing factors in the improvement of cellulosic H2 production in Clostridium thermocellum/Thermoanaerobacterium co-cultures. Applied microbiology and biotechnology, 100(19), 8607-8620. https://doi.org/10.1007/s00253-016-7776-1.

24. . Yang H., Shen J. (2006). Effect of ferrous iron concentration on anaerobic bio-hydrogen production from soluble starch. International journal of hydrogen energy, 31(15), 2137-2146. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.02.009.

25. . Dang Y., Holmes D. E., Zhao Z., Woodard T. L., Zhang Y., Sun D., ... & Lovley D. R. (2016). Enhancing anaerobic digestion of complex organic waste with carbon-based conductive materials. Bioresource technology, 220, 516-522. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.08.114.

26. . Kovalev A. A., Kovalev D. A., Litti Y. V., & Katraeva I. V. (2020). Biohydrogen production in the two-stage process of anaerobic bioconversion of organic matter of liquid organic waste with recirculation of digister effluent. International Journal of Hydrogen Energy, 45(51), 26831-26839.

27. . Kovalev A.A., Kovalev D.A., Litti Yu.V., Katraeva I.V. Biohydrogen Production in the Two-Stage Process of Anaerobic Bioconversion of Organic Substance of Liquid Organic Waste with Recycle of Digister Effluent. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2020;(7-18):87-100. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.87-100.

28. . Capson-Tojo G., Moscoviz R., Ruiz D., SantaCatalina G., Trably E., Rouez M., ... & Escudié R. (2018). Addition of granular activated carbon and trace elements to favor volatile fatty acid consumption during anaerobic digestion of food waste. Bioresource technology, 260, 157-168. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.03.097.

29. . Pfennig N 1965 Anreicherungskulturen fürote und grüne Schwefelbakterien Zbl. Bakt. I Abt. Orig. Suppl. 1 179⎯189.

30. . Demirel B., & Scherer P. (2008). The roles of acetotrophic and hydrogenotrophic methanogens during anaerobic conversion of biomass to methane: a review. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 7(2), 173-190. https://doi.org/10.1007/s11157-008-9131-1.

31. . Zhuravleva E. A., Shekhurdina S. V., Kotova I. B., Loiko N. G., Popova N. M., Kryukov E., ... & Litti Y. Effects of Various Materials Used to Promote the Direct Interspecies Electron Transfer on Anaerobic Digestion of Low-Concentration Swine Manure. Available at SSRN 4062586. https://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4062586.

32. . Литти Ю. В., Ковалев Д. А., Ковалев А. А., Катраева И. В., Михеева Э. Р., Ножевникова А. Н. (2019). Использование аппарата вихревого слоя для повышения эффективности метанового сбраживания осадков сточных вод. Водоснабжение и санитарная техника, (11), 32-40. DOI: 10.35776/MNP.2019.11.05.

33. . Schnürer A. (2016). Biogas production: microbiology and technology. Anaerobes in biotechnology, 195-234. https://doi.org/10.1007/10_2016_5.

34. . Xiao L., Liu J., Kumar P. S., Zhou M., Yu J., & Lichtfouse E. (2022). Enhanced methane production by granular activated carbon: A review. Fuel, 320, 123903. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.123903.

35. Ryue J., Lin L., Liu Y., Lu W., McCartney D., & Dhar B. R. (2019). Comparative effects of GAC addition on methane productivity and microbial community in mesophilic and thermophilic anaerobic digestion of food waste. Biochemical Engineering Journal, 146, 79-87. https://doi.org/10.1016/j.bej.2019.03.010.