, 成少安
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 杭州 310027
收稿日期: 2018-11-16; 修回日期: 2018-12-29; 录用日期: 2018-12-29
基金项目: 国家自然科学基金（No.51478414）；国家重点研发计划项目（No.2016YFB0600505）；深圳经信委项目（No.swcy20150331010038）
作者简介: 黄浩斌(1988-), 男, 博士研究生, E-mail:huanghaobin@zju.edu.cn
通讯作者（责任作者）: 成少安, E-mail:shaoancheng@zju.edu.cn
摘要: 本文以单室空气阴极微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）处理含不同浓度硝酸根的模拟废水，研究了NO3--N初始浓度和开闭路培养方式对单室MFC的启动、硝酸根去除性能和产电性能的影响.结果表明，随着NO3--N初始浓度的提高，MFC的NO3--N平均去除速率达到稳定值所需时间增加，NO3--N平均去除速率提高.当NO3--N初始浓度为200 mg·L-1时，闭路组MFC的NO3--N平均去除速率达到（3.52±0.28）kg·m-3·d-1，高于相近条件下许多传统生物反应器的NO3--N平均去除速率.硝酸根去除过程主要发生在MFC运行周期的前期.硝酸根对阳极生物膜中主要产电菌Geobacter的生物量没有影响.当基质充足时，所有闭路组MFC的最大功率密度相近（~27 W·m-3）.闭路组MFC比开路组MFC具有更高的NO3--N去除速率，可能与其阳极生物膜具有电化学还原亚硝酸根能力和Thauera易在其阳极上富集有关.
关键词:微生物燃料电池单室硝酸根生物电化学微生物群落
Development and performance of single-chamber microbial fuel cell denitrification systems
HUANG Haobin
, CHENG Shaoan State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027
Received 16 November 2018; received in revised from 29 December 2018; accepted 29 December 2018
Abstract: Single-chamber air cathode microbial fuel cells (MFCs) were constructed to treat synthetic wastewater containing different concentrations of nitrate. The start-up, nitrate removal and electricity generation of single-chamber MFCs were investigated under closed-circuit (closed-circuit MFCs) or open-circuit (open-circuit MFCs) operation. It is found that increasing initial NO3--N concentration extended the time required for the MFCs to obtain the stable average NO3--N removal rate, but enhanced the average NO3--N removal rate. When the initial NO3--N concentration was 200 mg·L-1, the average NO3--N removal rate of the closed-circuit MFCs was up to (3.52±0.28) kg·m-3·d-1, which was higher than those of many traditional biological denitrification systems under similar conditions. Nitrate was reduced at the early stage of a cycle in the MFCs. The biomass of the dominant exoelectrogen Geobacter enriched at the anodes in the closed-circuit MFCs was not affected by nitrate. With sufficient substrate, the maximum power densities of all the closed-circuit MFCs were similar (~27 W·m-3). The NO3--N removal rate of the closed-circuit MFCs was higher than that of the open-circuit MFCs, which was probably attributed to the anode biofilm with characteristics of bioelectrochemical reduction of nitrite and high enrichment of Thauera in the closed-circuit MFCs.
Keywords: microbial fuel cellssingle-chambernitratebioelectrochemistrymicrobial community
1 引言(Introduction)微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是一种利用产电菌作为催化剂降解废水中污染物的同时回收电能的废水处理技术(Liu et al., 2004; Liu et al., 2015).近年来, MFC在高效低成本处理废水方面得到了广泛的研究和开发(Pant et al., 2010; Pandey et al., 2016).目前, 用于废水处理的MFC在构型上主要分为单室MFC和双室MFC.两者的主要区别是双室MFC使用离子交换膜分隔阳极室和阴极室, 分别在阳极室和阴极室降解废水中的有机污染物和其它污染物, 而单室MFC是在同一腔室内同时降解废水中的全部污染物.
氮污染是我国水环境存在的主要污染问题之一.硝酸根是废水中常见的含氮污染物, 水中含有过高浓度的硝酸根将严重危害环境安全和人类健康(Park et al., 2005; Fernandez-Nava et al., 2008).因此, 研究高效低成本的脱氮技术具有重要意义.硝酸根可作为MFC阴极电子受体, 利用双室MFC处理含硝酸根的废水可实现同步脱氮和产电功能, 从而降低废水的处理成本.近年来, 这一技术得到了广泛研究, 目前双室MFC的产电功率和NO3--N平均去除速率分别达到0.91~34.60 W · m-3和0.05~2.06 kg · m-3(Clauwaert et al., 2007; Virdis et al., 2008; Clauwaert et al., 2009; Pous et al., 2013; Zhang et al., 2013; Vijay et al., 2018).然而, 双室MFC需要使用昂贵的离子交换膜, 不仅增加了废水的处理成本, 而且离子交换膜易污染并造成MFC内阻增加, 从而降低MFC产电功率和长期运行稳定性.因此, 利用双室MFC处理含硝酸根的废水仍存在局限性.
相比双室MFC, 单室MFC因无需使用离子交换膜而具有反应器结构简单、运行费用低等优点, 具有高效低成本处理含硝酸根废水的潜力.但由于硝酸根可接受产电菌的胞外电子被还原且还原电位高, 因此, 硝酸根可能与阳极竞争电子进而降低单室MFC的产电性能(Su et al., 2018).目前, 有关利用单室MFC处理含硝酸根废水的研究主要集中在硝酸根对MFC产电性能的影响上.例如, Morris等(2009)研究了硝酸根对单室MFC产电性能的影响, 发现当NO3--N浓度为170 mg · L-1时, MFC的产电电压没有明显变化, 表明产电菌仍主要以阳极作为电子受体.Sukkasem等(2008)同样也发现当NO3--N初始浓度为11.2~67.2 mg · L-1时, 硝酸根不影响MFC在外接电阻为150~1000 Ω条件下的产电电压, 但当NO3--N初始浓度达到112 mg · L-1且外接电阻为150 Ω时, 硝酸根会降低MFC的最大电压.Kashima等(2015)研究了硝酸根对两种常见产电菌Geobacter Sulfurreducens和Geobacter Metallireducens产电性能的影响, 发现硝酸根会降低Geobacter Metallireducens的产电性能, 而不影响Geobacter Sulfurreducens的产电性能.其原因被认为与Geobacter Metallireducens能以硝酸根为电子受体而Geobacter Sulfurreducens不能有关.以上研究表明, 硝酸根对单室MFC产电性能的影响与硝酸根浓度和产电菌种类有关.另外, 电刺激作用能促进微生物对硝酸根的降解(Beschkov et al., 2004; Zhang et al., 2014).可以预计, 在合适的条件下, 单室MFC可实现同时高效去除硝酸根和高效产电.
基于此, 本文以单室空气阴极MFC处理含硝酸根的模拟废水, 研究NO3--N初始浓度和开闭路培养方式对单室MFC硝酸根去除系统的建立和性能的影响.同时, 采用线性扫描伏安法(LSV)和16S rRNA高通量测序技术探讨单室MFC处理含硝酸根废水的产电过程和硝酸根去除机制.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 MFC结构本研究使用的反应器为4 cm单室MFC (Liu et al., 2015), 阳极为长度和直径均为2.5 cm的碳刷.碳刷在使用前经15%(V/V)的乙醇溶液浸泡24 h并在450 ℃下预处理30 min(Wang et al., 2009).阴极为有效工作面积7 cm2的泡沫镍型空气阴极(Cheng et al., 2013).为了保持阴极氧还原性能的稳定性, 在阴极面向溶液侧放置一片厚度为2 mm的玻璃纤维以避免细菌在阴极表面生长.阳极侧上方MFC腔体安装一根玻璃管, 玻璃管上部用丁基胶塞密封, 用针头连接气体收集袋, 以收集MFC运行过程中产生的气体.MFC腔体的有效容积为26 mL.
2.2 MFC的接种、启动与运行阳极细菌的接种源为本实验室序批式运行含有1 g · L-1乙酸钠的人工废水超过2年的单室空气阴极MFC(体积为300 mL)的出水和从该MFC阳极上刮下的细菌形成的混合液.人工废水为pH=7.0且含12.5 mL · L-1矿物质和5 mL · L-1维生素的50 mmol · L-1磷酸盐缓冲液(PBS, 成分：Na2HPO4 · 12H2O 11.466 g · L-1, NaH2PO4 · 2H2O 2.75 g · L-1, NH4Cl 0.31 g · L-1, KCl 0.13 g · L-1)(Cheng et al., 2013).MFC的接种液为接种源和人工废水按1 : 1(V/V)混合并加入乙酸钠和硝酸钾后的混合液.MFC以闭路(外接电阻1000 Ω, 记为闭路组MFC)或开路(阴阳电极断开, 记为开路组MFC)方式接种和运行.接种48 h后, MFC更换运行含有乙酸钠和硝酸钾的人工废水(运行溶液), 并采用序批式方式运行：当闭路组MFC的电压下降至100 mV以下时, 闭路组和开路组MFC同时更换溶液(换液时间间隔约为48 h).为了保证产电和反硝化过程均能正常进行, 开路组和闭路MFC的运行溶液设置不同化学需氧量(COD)：所有开路组MFC的运行溶液保持COD/NO3--N比为4.43(Jafari et al., 2015), 所有闭路组MFC运行溶液的COD为500 mg · L-1加上去除相应NO3--N消耗的COD(去除NO3--N消耗的COD按4.33 g · g-1(Huang et al., 2018)估算).不同MFC的接种液和运行溶液的COD和NO3--N初始浓度如表 1所示.NO3--N初始浓度分别为50、100、150和200 mg · L-1, 闭路组MFC分别以N-50、N-100、N-150和N-200组MFC标记, 开路组MFC分别以OC-50、OC-100、OC-150和OC-200组MFC标记.为了避免溶液电导率对研究结果的影响, 所有MFC的接种液和运行溶液采用氯化钠调节溶液电导率至(10.00±0.02) mS · cm-1.每一种条件下平行运行3个MFC, 试验均在(30±2) ℃的环境下进行.
表 1(Table 1)
| 表 1 MFC接种液和运行液的COD和NO3--N初始浓度 Table 1 The concentrations of COD and NO3--N of the medium for the MFCs | |||||||||||||||||||||||||||
表 1 MFC接种液和运行液的COD和NO3--N初始浓度 Table 1 The concentrations of COD and NO3--N of the medium for the MFCs
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在本研究中, MFC的运行周期数为换液次数.为了评价MFC的硝酸根去除性能, 测定MFC在每个周期的进水和出水的NO3--N、NO2--N、NH4+-N和COD的浓度.分别在第1、3、5周期, 以及从第10个周期开始, 每5个周期, 测定MFC的硝酸根降解动力学曲线, 直至MFC的NO3--N去除率和NO3--N平均去除速率均不随MFC的运行周期变化, 此时认为MFC达到硝酸根去除的稳定状态.为了评价闭路组MFC的产电性能, 从第11个周期开始, 每10个周期(约20 d)测定一次功率密度曲线和极化曲线, 直至闭路组MFC最大功率密度不随运行周期变化, 此时认为闭路组MFC已达到产电稳定状态.
为了研究基质浓度对MFC的硝酸根去除性能的影响, 在MFC达到硝酸根去除的稳定状态后, N-200组MFC运行含1.00 g · L-1乙酸钠和200 mg · L-1 NO3--N的溶液3个周期.测定MFC每个周期的进水和出水的NO3--N、NO2--N、NH4+-N和COD的浓度, 以及第2和第3个周期的硝酸根降解动力学曲线.
最后, 在每组MFC中各选取2个MFC用于分析阳极微生物群落的生物量, 剩余的1个MFC对阳极上的微生物群落取样用于分析阳极微生物群落组成.
2.3 分析测试方法2.3.1 水质和气体成分NO3--N、NO2--N、NH4+-N和COD浓度采用分光光度法测定(HACH Company, Loveland, CO., USA, 哈希方法10020、10019、10031和8000).MFC运行过程中产生气体的成分采用气相色谱仪(GC-2014, Shimadzu, Japan)分析.溶液的电导率(mS · cm-1)采用电导率仪(FG3, Mettler-Toledo, Switzerland)测量.
2.3.2 电化学性能采用数据采集仪(34970A, Agilent, USA)每隔5 min记录一次MFC电压(U, V)、阳极电位和阴极电位, 参比电极为Ag/AgCl.采用变电阻法测量MFC的极化曲线与功率密度.外接电阻变化为5000、1000、500、300、100和50 Ω, 在每个电阻下, MFC运行20 min.MFC的极化曲线与功率密度测定均在MFC的电压稳定区域(通常在新溶液中运行2 h后)中进行.MFC的体积功率密度(P, W · m-3)按P=UI/Vs计算, 其中, I为使用欧姆定律计算得到的电流(A), Vs为MFC的液体体积(m3).
采用LSV表征MFC阳极生物膜的电化学特性, LSV在电化学工作站(CHI660D, 辰华, 中国)以三电极模式进行.以MFC的阳极作为工作电极, 阴极作为对电极, Ag/AgCl电极作为参比电极, 分别测试阳极生物膜在3种不含基质的电解液中的电化学特性：① 50 mmol · L-1 PBS; ②含100 mg · L-1 NO3--N的50 mmol · L-1 PBS; ③含100 mg · L-1 NO2--N的50 mmol · L-1 PBS.LSV扫描速率为5 mV · s-1, 扫描电位区间为0~-0.6 V(vs. Ag/AgCl).每种电解质下扫描3次, 每次扫描后停顿5 min.以第3次LSV曲线评价阳极生物膜电化学特性.为了避免常规运行周期结束时阳极生物膜上可能残留的COD等物质对LSV测量结果的影响, 在LSV测量之前, MFC在新的50 mmol · L-1 PBS中在1000 Ω外接电阻下运行30 min, 重复此操作3次; 随后MFC更换试验电解液, 在开路下运行1 h.
2.3.3 生物量阳极微生物群落的生物量按文献(Liu et al., 2015)所述方法测定, 具体步骤为：①取出MFC的碳刷阳极, 用镊子将碳刷上的微生物刮下, 将碳刷和刮下的微生物置于50 mL的离心管; ②在离心管中加入10 mL 0.2 mol · L-1 NaOH溶液, 然后将离心管置于4 ℃冰箱1 h, 期间每隔15 min取出振荡60 s; ③在离心管中加入10 mL去离子水, 振荡混合均匀, 然后对混合液进行冰冻-解冻操作：离心管先置于-20 ℃冰箱中冷冻2 h, 取出后在90 ℃水浴中加热10 min, 冰冻-解冻操作重复3次, 最终得到溶出蛋白质的混合液; ④采用Bicinchoninic acid蛋白试剂盒(百浩生物科技有限公司, 中国), 按说明测定混合液中的蛋白含量.依据蛋白含量约占细胞干重的55%来计算阳极微生物群落的生物量.不同细菌的生物量(Ma)按Ma=Mtotal·RAa计算, 其中, Ma为该细菌的生物量, Mtotal为群落的总生物量, RAa为该细菌的相对丰度.
2.3.4 微生物群落采用16S rRNA技术鉴定和分析MFC的阳极微生物群落组成.分析样品取自MFC的碳刷阳极.采用PowerSoil DNA isolation试剂盒(MoBio Laboratories, Carlsbad, CA, USA)按试剂盒的说明提取DNA.DNA样本送浙江天科高新技术发展有限公司在Illumina Hiseq 2500平台上进行高通量测序.测序关键细节如下：经1%琼脂糖凝胶电泳检测合格; 采用引物F(5′-AYTGGGYDTAAAGNG-3′)和R(5′-TACNVGGGTATCTAATCC-3′)对微生物16S rRNA的V4区进行PCR扩增.PCR产物采用Qiagen Gel Extraction Kit试剂盒(Qiagen, Germany)纯化.利用Uparse软件(Uparse V8.1.1861)对所有样品的全部有效数据进行聚类, 默认以97%的一致性将序列聚类成为OTUs(Operational Taxonomic Units), 以OTUs中出现频数最高的序列作为OTUs的代表序列.对OTUs代表序列用RDP Classifier(Version 11.4)方法和Silva数据库(http://www.arb-silva.de)进行物种注释.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 MFC硝酸根去除系统的建立和系统的硝酸根去除性能在MFC运行的第1个周期, 所有MFC中硝酸根浓度均随运行时间的增加而逐渐降低, N-50、N-100、OC-50和OC-100组MFC中NO3--N浓度分别经18、30、24和36 h降低到零, 经48 h运行后MFC出水中均没有检测到硝酸根和亚硝酸根, 而出水NH4+-N浓度低于进水NH4+-N浓度约20 mg · L-1, 说明硝酸根能在MFC中被完全去除.在MFC的运行过程中可观测到大量气泡产生, 经气相色谱分析得出MFC产生的气体为氮气, 说明硝酸根主要通过反硝化作用机理被去除(Zumft, 1997).在低NO3--N浓度下(50和100 mg · L-1), 无论是开路还是闭路组MFC, 其NO3--N去除率均达到100%;而在高NO3--N浓度下, N-150、N-200、OC-150和OC-200组MFC的NO3--N去除率在第1个周期也分别达到了99.2%±0.3%、98.5%±0.6%、96.8%±1.5%和95.2%±0.9%, 从第2个周期开始, NO3--N去除率提高到100%, 说明单室MFC具有高效去除硝酸根的能力.随着运行周期数增加, MFC的NO3--N去除速率逐渐提高, 完全去除硝酸根所需时间逐渐缩短, 如N-150组MFC, 硝酸根完全去除所需时间从第19 d(第9周期)的150 min缩短至第109 d(第55周期)的70 min, 经109 d运行后N-150组MFC的NO3--N去除速率达到稳定值(图 1).N-50、N-100、N-150和N-200组MFC的NO3--N平均去除速率分别在MFC运行50、80、110和130 d后达到稳定值(图 2a), 硝酸根平均去除速率的稳定值分别为(1.12±0.05)、(2.06±0.13)、(2.66±0.22)和(3.52±0.28) kg · m-3 · d-1 (图 2b).以上结果表明, 提高NO3--N初始浓度虽增加了闭路组MFC建立性能稳定的硝酸根去除系统所需的时间, 但显著提高了NO3--N平均去除速率.开路组MFC建立硝酸根去除系统的过程受NO3--N初始浓度的影响规律与闭路组MFC相近, 但在相同NO3--N初始浓度下, 开路组MFC建立性能稳定的硝酸根去除系统所需时间比闭路组MFC长, NO3--N平均去除速率明显低于闭路组MFC(图 2).在相近条件下, 闭路组MFC的NO3--N平均去除速率高于大多数报道的MFC系统(Sukkasem et al., 2008; Zhang et al., 2013)和传统生物反应器(Chen et al., 2008; Shen et al., 2013; Jafari et al., 2015), 这可能与闭路组MFC的阳极生物膜的电化学还原特性(详见3.2节)和阳极微生物群落(详见3.4节)有关.此外, MFC的NO3--N平均去除速率随NO3--N初始浓度提高而提高, 表明单室空气阴极MFC具有处理含高浓度硝酸根废水的潜力.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 N-150组MFC在建立硝酸根去除系统过程中的硝酸根降解动力学曲线 Fig. 1The curves of the degradation kinetics of nitrate of the MFCs of group N-150 during the development of nitrate removal systems |
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 闭路组和开路组MFC的NO3--N平均去除速率达到稳定值所需时间(a)和NO3--N平均去除速率的稳定值(b) Fig. 2The time required for the development of nitrate removal systems(a) and the stable average NO3--N removal rates (b) of the MFCs |
3.2 MFC硝酸根去除系统的电化学性能在建立性能稳定的硝酸根去除系统的过程中, 闭路组MFC同时建立了产电系统.如图 3所示, 在MFC接种, N-50和N-100组MFC的电压分别在第45 h和第75 h出现明显上升, 而N-150和N-200组MFC的电压则分别在约第115 h和第125 h才出现显著上升.N-50、N-100、N-150和N-200组MFC的电压分别在第96 h、第134 h、第177 h和第229 h首次达到400 mV.在电压首次达到400 mV后, 在随后的2个周期, 所有闭路组MFC均表现出相近的平台电位(~430 mV), 且NO3--N浓度不影响平台电位值.所有闭路组MFC的最大功率密度没有明显差异(~27 W · m-3, 图 4), 说明硝酸根虽然延缓了MFC的启动, 但不影响MFC的最大产电功率, 这与Morri等(2009)报道的研究结果一致.本研究中MFC的最大功率密度与文献报道(Logan et al., 2015; Pandey et al., 2016)的MFC处理不同废水的功率密度的较大值相近, 表明单室MFC具有同时高效产电和反硝化能力, 可降低废水处理成本, 具有实际应用价值.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 闭路组MFC在启动过程的电压曲线 Fig. 3The voltage curves of the closed-circuit MFCs in the start-up stage |
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 闭路组MFC在建立性能稳定的产电系统后的功率密度曲线和极化曲线 Fig. 4The power density and polarization curves of the closed-circuit MFCs after the development of stable systems for electricity generation |
图 5为N-100和OC-100组MFC阳极生物膜在不同溶液中的LSV曲线.从图中可以看出, 闭路组MFC的阳极生物膜电极在含有亚硝酸根的PBS中产生显著的还原电流, 而其它情况：闭路组MFC的阳极生物膜电极在PBS或含有硝酸根的PBS, 以及开路组MFC的阳极生物膜在含有硝酸根的PBS或含有亚硝酸根的PBS中均产生微小、相近的还原电流, 表明闭路组MFC的阳极微生物具有电化学还原亚硝酸根的能力.在传统生物反应器中, 亚硝酸根的积累进而抑制反硝化菌活性被认为是反应器反硝化性能下降的主要原因之一(Almeida et al., 1995; Glass et al., 1997).在本研究中, 闭路组MFC运行液的NO2--N浓度始终低于2 mg · L-1.这很可能是由于闭路组MFC的阳极生物膜具有电化学还原亚硝酸根的能力, 从而减少了硝酸根去除过程中中间产物亚硝酸根的累积量, 提高了MFC的NO3--N去除速率.结果表明, 单室空气阴极MFC可能适合处理含高浓度硝酸根的废水.
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 N-100和OC-100组MFC的阳极生物膜的LSV曲线 Fig. 5The LSV curves of the anode biofilms of the MFCs of Groups N-100 and OC-100 |
3.3 基质浓度对MFC硝酸根去除性能的影响对于N-200组MFC, 当乙酸钠浓度为1.75 g · L-1时, MFC的电压在换液约10 min内迅速上升至370 mV, 随后缓慢上升至约460 mV, 硝酸根在70 min内被完全去除(图 6).当乙酸钠浓度降低至1 g · L-1时, MFC电压开始缓慢增加, 约40 min时达到最大值约360~370 mV, 随后缓慢下降, MFC出水的NO3--N浓度为(41.5±5.6) mg · L-1, 硝酸根不能被完全去除, 且MFC的NO3--N平均去除速率明显下降(图 6).基于生物反硝化过程, N-200组MFC中微生物去除全部硝酸根需要消耗(866.0±12.0) mg · L-1的COD, 而1 g · L-1乙酸钠对应的COD为780 mg · L-1.以上结果表明：当基质浓度低于微生物反硝化去除硝酸根所需基质浓度时, MFC的NO3--N去除速率和NO3--N去除率均下降; 而当基质浓度高于微生物反硝化去除硝酸根所需基质浓度时, 基质浓度不影响MFC的硝酸根去除性能.
图 6(Fig. 6)
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| 图 6 N-200组MFC在1和1.75 g · L-1乙酸钠浓度下在典型周期的前2 h的电压曲线和硝酸根降解动力学曲线 Fig. 6The voltage and degradation kinetics of nitrate of the MFCs of Group N-200 operated with 1 and 1.75 g · L-1 of sodium acetate in the first 2 h of a typical cycle |
根据能斯特方程, 在pH为7的条件下, 按氧气和氮气的分压分别为0.2和0.8, 溶液的NO3--N初始浓度为50~200 mg · L-1, 假定溶液的NO2--N浓度为2 mg · L-1进行计算, 氧气被还原为水的反应电位约为0.797 V(vs. SHE); 当NO3--N初始浓度从50 mg · L-1提高至200 mg · L-1, 硝酸根被还原为氮气的反应电位从0.210 V提高至0.217 V(vs. SHE), 亚硝酸根被还原为氮气的反应电位为0.322 V(vs. SHE).从热力学角度看, 碳源氧化产生的电子优先传递给电极而产电, 而不是还原硝酸根或亚硝酸根.但在MFC的实际运行中, 由于氧气在阴极上的还原动力学缓慢, 其氧还原电位仅约为0.2 V(vs. SHE), 使碳源氧化产生的电子传递到电极的阻力增加, 而硝酸根和亚硝酸根被还原为氮气的反应动力学可能较快.因此, 微生物反硝化具有与微生物产电竞争碳源的可能性.从图 6可以看出, 在不同基质浓度下, 硝酸根在MFC运行周期的前期被去除, 而MFC在此期间仍产生电压, 表明微生物同时进行反硝化和产电, 但微生物反硝化具有快动力学.这说明MFC中微生物产电和反硝化对碳源的竞争由微生物产电还原电位和微生物反硝化动力学共同决定.
3.4 MFC阳极微生物群落分析MFC阳极微生物群落在门水平上的组成如图 7a和图 7b所示.在门水平上, 所有MFC的阳极微生物群落的主要细菌均为Proteobacteria和Bacteroidetes.Proteobacteria和Bacteroidetes在阳极微生物群落中的合计相对丰度在所有MFC中均超过92%(闭路组MFC：92.7%、94.3%、93.4%、95.6%, 分别对应N-50、N-100、N-150和N-200;开路组MFC：96.4%、97.8%、95.8%、96.1%, 分别对应OC-50、OC-100、OC-150和OC-200).其中, Proteobacteria的相对丰度显著高于其余任何门的相对丰度：Proteobacteria在所有MFC的阳极微生物群落中的相对丰度均超过81%(闭路组MFC：81.6%、84.9%、81.1%、89.6%;开路组MFC：86.4%、86.1%、88.9%、90.4%).硝酸根对MFC阳极微生物群落在门水平的组成没有显著影响, 这是因为本研究的MFC的主要产电菌和主要反硝化菌均属于Proteobacteria.
图 7(Fig. 7)
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| 图 7 MFC阳极微生物群落在门(a、b)和属(c、d)水平的组成 Fig. 7The microbial community composition of the anodes of the MFCs at the phylum (a, b) and genus (c, d) level |
在属水平(图 7c和图 7d)上, 闭路组MFC阳极微生物群落中Proteobacteria的主要属为Geobacter(39.2%、23.2%、16.9%和15.7%, 分别对应N-50、N-100、N-150和N-200)、Thauera(10.4%、24.2%、53.9%和68.7%)、Dechloromonas(28.6%、25.3%、6.2%和0.1%)和Comamonas(1.7%、5.5%、0.1%和0.3%).开路组MFC阳极微生物群落中Proteobacteria的主要属为Azoarcus(78.1%、70.7%、59.4%和43.2%, 分别对应OC-50、OC-100、OC-150和OC-200)、Thauera(1.9%、3.0%、11.8%和26.0%)、Paracoccus(1.5%、1.3%、4.3%和0.8%)和Halomonas(4.5%、10.2%、4.2%和6.6%).
Geobacter为MFC系统中的常见产电菌(Nevin et al., 2008).在闭路组MFC中, 随NO3--N初始浓度的提高, 虽然Geobacter的相对丰度下降, 但Geobacter的生物量均相近(表 2), 这可能是所有闭路组MFC产电功率相近的主要原因.此外, Wan等(2018)研究表明, Geobacter sulfurreducens可与某些反硝化菌之间形成互营关系, 从而加速了反硝化过程且改变了反硝化菌的群落组成.因此, 可以推测某些种的Geobacter有利于提高反硝化菌的反硝化能力, 这可能是闭路组MFC硝酸根去除速率高的原因之一.
表 2(Table 2)
| 表 2 MFC阳极微生物群落的生物量 Table 2 The biomass on the anodes of the MFCs | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 MFC阳极微生物群落的生物量 Table 2 The biomass on the anodes of the MFCs
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Thauera、Dechloromonas、Comamonas、Azoarcus、Paracoccus和Halomonas均有部分种被报道具有降解硝酸根的能力(Siller et al., 1996; Etchebehere et al., 2001; Thomsen et al., 2007; Liu et al., 2013; Langone et al., 2014; Li et al., 2016).在本研究中, Comamonas只在N-50和N-100组MFC的阳极微生物群落中存在.Dechloromonas在闭路组MFC的阳极微生物群落中存在, 但其相对丰度随着NO3--N初始浓度提高而下降.对于Thauera, 不管是开路组还是闭路组MFC阳极生物膜, 其相对丰度均随NO3--N初始浓度提高而显著上升(Thauera的生物量同样显著增加, 如闭路组MFC, Thauera的生物量从(20.4±1.4) mg增加至(317.0±23.0) mg, 表 2), 且Thauera逐渐成为闭路组MFC阳极上反硝化菌的优势菌种, 这表明高浓度的硝酸根有利于Thauera在MFC阳极上的富集.虽然Thauera还未被报道具有胞外电子传递能力, 但Thauera在MFC等生物电化学系统的阳极或阴极上的富集已被报道(Zhu et al., 2017; Yang et al., 2018a), 并被认为在脱氮和电子传递上发挥了重要作用(Yang et al., 2018b).在本研究中, Thauera在MFC阳极上的富集可能与Geobacter有关, 因为Thauera和Geobacter均具有胞外呼吸还原三价铁的能力(Lovley et al., 2011; Ma et al., 2015), 两者可能形成互营关系.此外, Dechloromonas(Sun et al., 2010)和Comamonas(Xing et al., 2010)均有部分种被报道具有胞外电子传递的能力.这表明闭路组MFC阳极上富集的主要反硝化菌可能均有利于电子传递, 这是MFC具有高效产电和高效硝酸根去除性能的原因之一.在开路组MFC的阳极微生物群落中, Azoarcus始终为相对丰度最高的属.随着NO3--N初始浓度提高(从50 mg · L-1提高至200 mg · L-1), Azoarcus相对丰度下降(从78.1%降低至43.2%), Thauera的相对丰度上升(从1.9%提高至26.0%), 而Paracoccus和Halomonas相对丰度的变化相对较小且无明显规律.这表明在开路组MFC中, 高浓度的硝酸根也有利于Thauera在MFC阳极上的富集, 这与闭路组MFC的结果一致.在相同NO3--N初始浓度下, 闭路组MFC中Thauera的相对丰度和生物量均高于开路组MFC(图 7、表 2), 这说明闭路培养方式有利于Thauera在MFC阳极上的富集.闭路组和开路组MFC的NO3--N平均去除速率均随NO3--N初始浓度的提高而提高, 但在相同NO3--N初始浓度下, 闭路组MFC的NO3--N平均去除速率均高于开路组MFC, 说明MFC的NO3--N去除速率高还可能与Thauera在MFC阳极上的富集有关.
闭路组和开路组MFC阳极微生物群落中Bacteroidetes的主要属均为Blvii28 wastewater-sludge group(闭路组MFC：8.5%、8.5%、10.1%、3.7%;开路组MFC：6.4%、7.7%、4.7%、5.1%).Blvii28 wastewater-sludge group常见于废水处理的生物反应器, 但未被报道具有产电或去除硝酸根的能力, 并且其相对丰度和NO3--N初始浓度无关, 说明此属微生物对阳极生物膜产电和去除硝酸根的贡献不大.
4 结论(Conclusions)1) 本研究建立了稳定高效的单室MFC硝酸根去除系统, 发现提高NO3--N初始浓度虽然增加了MFC建立稳定硝酸根去除系统所需的时间, 但提高了MFC的NO3--N去除速率.在200 mg · L-1的NO3--N初始浓度下, 闭路组MFC的NO3--N平均去除速率达到(3.52±0.28) kg · m-3 · d-1.
2) 硝酸根会延缓闭路组MFC的启动, 但不影响其启动后的最大功率密度.闭路组MFC的阳极生物膜具有电化学还原亚硝酸根的能力, 可能有利于提高MFC的NO3--N去除速率.
3) 单室MFC中同时发生微生物产电和反硝化, 硝酸根在MFC运行周期的前期被去除.当基质浓度低于微生物反硝化去除硝酸根所需基质浓度时, MFC的NO3--N去除速率和NO3--N去除率降低.当基质浓度高于微生物反硝化去除硝酸根所需基质浓度时, 基质浓度不影响MFC的硝酸根去除性能.
4) 闭路组MFC阳极上的主要产电菌为Geobacter, 且其生物量不受NO3--N初始浓度的影响.Thauera易在MFC的阳极上富集, 可能也是MFC的NO3--N去除速率高的主要原因之一.
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