Enhanced biohydrogen production from corn straw by basalt fiber addition

5. Results and discussion 
5.1. Effect of BF dose on hydrogen production performance 
Fig. 1
(a) showed the effect of BF dose on the cumulative hydrogen 
yield during photo-fermentation of corn straw. The highest cumulative 
hydrogen yield of 323.94 mL was obtained at 1.5 g/L, increasing by 
15.74% comparing with control group. However, with the further in-
crease of BF, the promotion effect began to decline. When BF dose 
reached to 3 g/L, the inhibition phenomenon appeared. This negative 
effect at higher dose range might be caused by heavy metal ions released 
from BF such as Fe
3
+
, Mg
2
+
and so on. These higher concentration heavy 
metal ion would inhibit nitrogenase activity as reported by (
Hakobyan 
et al., 2012
). Seen from 
Fig. 1
(b), the addition of an appropriate amount 
of BF could also improve the conversion rate of corn straw into 
hydrogen. When the addition amount was 1.5 g/L, the corn straw con-
version rate could increase by 15.6%. To improve biohydrogen pro-
duction of corn straw, Fe
2
O
3 
nanoparticle also was employed as reported 
by 
Li et al. (2020)
, they observed the H
2 
yield increases by about 19.5%, 
which is a little higher than that by adding BF. However, the cost of BF is 
much lower than that of Fe
2
O
3 
nanoparticle, which means that adding 
BF may be more feasible for the large-scale engineering application. 
Fig. 1
(c) showed the effect of BF on the distribution of organic acids 
at the end of fermentation. Butyric acid, propionic acid and a small 
amount of acetic acid were the main organic acids at the end of photo- 
fermentation hydrogen production from corm straw, and the content of 
total organic acids decreased with the increase of BF amount, which 
indicated that BF additive promoted the utilization of organic acids. 
Among all the products, the content of ethanol was the highest, reaching 
a minimum of 0.49 g/L at BF dose of 1.5 g/L. This indicated that ethanol 
could not be utilized by HAU-MA to convert into hydrogen as pointed 
out by 
Liu et al (2021)
. On the contrary, the production of acetic acid 
decreased with the increase of BF dose, indicating that the utilization 
rate of acetic acid was higher when adding BF. 
Fig. 1
(d) showed the change of reducing sugar during the fermen-
tation process. It can be seen that the content of reducing sugar would 
increase by adding BF and reached the highest of 1.71 g/L at 12 h. The 
reducing sugar resulted from the hydrolysis of cellulose and increased 
rapidly during initial phase (0
–
12 h). Subsequently, the photosynthetic 
C. He et al.

---

Bioresource Technology 338 (2021) 125528
3
bacteria used the hydrolyzed reducing sugar to produce acid meta-
bolism, which would lead to the low rate of hydrogen production. Then 
the generation rate of reducing sugar almost equaled to the its conver-
sion rate to volatile fatty acids. The similar results were also reported by 
pervious research (
Lu et al., 2020a
). 
5.2. Effect of BF particle size on hydrogen production performance 
The effect of BF particle size on the cumulative hydrogen at dose of 
1.5 g/L was shown in 
Fig. 2
(a). The results showed that BF particle size 
had an obvious influence on hydrogen production. The cumulative 
hydrogen production increased by 8.86 mL while the BF particle size 
increased from 200 to 300 to 300
–
400 mesh. However, the cumulative 
H
2 
production began to decline as the particle size increase above 
300
–
400 mesh, only 297.32 mL H
2 
production was obtained at 500
–
600 
mesh. Similarly, as shown in 
Fig. 2
(b), the corn straw conversion rate 
reached maximum also at particle size of 300
–
400 mesh. 
The effect of BF with different particle size on the content of organic 
acids at the end of fermentation was shown in 
Fig. 2
(c). The main 
organic acids in the experimental group were propionic acid and butyric 
acid. The content of propionic acid and ethanol both increased first and 
then decreased. Their highest content was both appeared at particle size 
of 300 ~ 400 mesh, increasing by about 42% and 51% respectively 
comparing with control group. 
Fig. 2
(d) showed the effect of BF particle 
size on reducing sugar. The content of reducing sugar was the highest at 
the first 12 h. Reducing sugar was metabolized into organic acid by 
photosynthetic bacteria in 12
–
24 h, and the content of reducing sugar 
decreased rapidly. After 36 h, the change range of reducing sugar 
became small, which indicated that reducing sugar had been almost 
entirely decomposed. At this time, photosynthetic bacteria mainly used 
organic acids to produce hydrogen. 
5.3. Effect of BF addition on hydrogen production kinetic 
The kinetic analysis of cumulative hydrogen production with the 
dose change was performed. The modified Gompertz model had good 
fitting efficiency between experimental and theoretical values (R
2 
>
0.98) (
Supplementary material
, Table S2). With the increase of BF 
content, the delay period of hydrogen production gradually increased. 
The potential of hydrogen production was enhanced by BF addition, 
with the r
m 
being increased up to 1.5 g/L and then began to decrease 
with the further increase of BF dose. Besides, the effect of BF particle size 
on the hydrogen production kinetics was analyzed. According to the 
calculated kinetic parameters, the hydrogen production potential 
P
max 
decreased with the increase of particle size firstly, and then decreases 
(
Supplementary material
, Table S3). The maximum value of 
P
max 
was 
obtained at 300
–
400 mesh. 
5.4. The promotion mechanism of BF addition on photosynthetic bacteria 
growth 
The effect of BF addition(1.5 g/L, 300
–
400 mesh) on the growth of 
photosynthetic bacteria HAU-M1 was showed in 
Fig. 3
. The weight of 
photosynthetic bacteria increased slowly during the first 24 h, and 
Fig. 1.
Effect of BF dose on (a) cumulative hydrogen yield (b) conversion rate of corn straw (c) content of organic acids at the end of fermentation (d) reducing 
sugar content. 
C. He et al.

---

Bioresource Technology 338 (2021) 125528
4
entered the exponential growth period from 24 to 60 h, which was in 
agreement with the result of Zhang (
Zhang et al., 2019
). At 72 h, in the 
case of BF addition the bacterial concentration was 45.89% higher than 
that of control group. Through the analysis of the modified logistics 
model, the kinetic parameters of bacterial growth were obtained. The 
fitting degree was above 0.98 (
Supplementary material
, Table S4), 
which indicated that the modified logistics model could be well describe 
the growth status of HAU-M1. These results showed that HAU-M1 had a 
fast growth rate after BF addition, which was benefit to biohydrogen 
production. The promotion of BF on HAU-M1 growth probably was duo 
to the mineral elements rich in BF. From the results by X-ray fluores-
cence spectroscopy shown in 
Fig.S1
, BF mainly consist of SiO
2
, Al
2
O
3
, 
Fe
2
O
3
, CaO, MgO and others. These elements are essential for the 
metabolism and the growth of microorganisms. Especially Fe and Mg, 
they both are key cofactors of many import enzyme (
Budiman 
& 
Wu, 
2018
). In the acidic environment of photo Fermentation, the Fe
3
+
and 
Mg
2
+
ion could be released from BF, influenced the photosynthetic 
growth of HAU-M1, and thus promote the biohydrogen generation.