MFC的除As(Ⅲ)產(chǎn)電性能及其優(yōu)勢(shì)微生物種群

李蓓蓓, 汪家權(quán), 郭 婧, 祁 晨, 儲(chǔ)朋朋, 程建萍*

(合肥工業(yè)大學(xué)a. 資源與環(huán)境工程學(xué)院; b 機(jī)械工程學(xué)院, 合肥230009)

水體砷污染已成為全球性的環(huán)境問(wèn)題, 砷主要以無(wú)機(jī)化合物形式存在于水環(huán)境中, 其中As(Ⅲ)比As(V)的毒性高約60倍, 因此將As(Ⅲ)在一定條件下氧化為As(V)是一種砷解毒的治污方法[1]．目前, 處理含砷廢水的方法主要有生物法、離子交換法和膜分離法等,微生物除砷技術(shù)主要是利用微生物的生物吸附作用和新陳代謝對(duì)水中的砷進(jìn)行氧化和甲基化[2]．楊婷婷等[3]利用生物濾池處理含砷地下水, 發(fā)現(xiàn)Pseudomonassp. QJX-1菌在氧化反應(yīng)中占主導(dǎo)地位, As(Ⅲ)氧化率達(dá)95.0%．另外, 電化學(xué)方法處理水污染的研究也逐漸受到關(guān)注．其中, 微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)是以電活性微生物為催化劑, 將廢水中有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置, 可同時(shí)滿足廢水處理和產(chǎn)電的需求, 且操作條件溫和、無(wú)需能耗、易于回收,是一種環(huán)境友好型處理方法．MFC產(chǎn)生的微電流促進(jìn)微生物的氧化反應(yīng), 提高微生物的活性, 可改善As(Ⅲ)的解毒效果．申中正等[4]構(gòu)建了微生物燃料電池-零價(jià)鐵(MFC-ZVI)耦合工藝, 使除砷效率得到顯著提高．本文研究雙室MFC對(duì)不同濃度含砷廢水的As(Ⅲ)去除情況、產(chǎn)電性能及其優(yōu)勢(shì)功能菌群的組成, 結(jié)果可為MFC處理含砷廢水的應(yīng)用提供理論依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 MFC的構(gòu)造與運(yùn)行

本實(shí)驗(yàn)采用亞克力材料制成的雙室MFC, 其構(gòu)造見圖1所示．電極為自制碳刷(4.0 cm×13.0 cm), 陰陽(yáng)極室的長(zhǎng)寬高均為100 mm×40 mm×100 mm, 兩室之間用質(zhì)子交換膜(Nafion 117, DuPont公司)隔開, 外接1 kΩ電阻．

將10 mL取自某污水處理廠氧化溝中兼性厭氧段的污泥和400 mL營(yíng)養(yǎng)液(0.641 g·L-1乙酸鈉、2.883 g·L-1磷酸二氫鉀、6.571 g·L-1磷酸氫二鉀、礦物質(zhì)和維生素[5])加入陽(yáng)極室; 在陰極室加入400 mL電解液(16.462 g·L-1鐵氰化鉀、2.883 g·L-1磷酸二氫鉀、6.571 g·L-1磷酸氫二鉀)．MFC在(25.0 ± 0.1) ℃下運(yùn)行, 輸出電壓U由研華USB-4716數(shù)據(jù)采集儀每分鐘采集1次．當(dāng)U超過(guò)100.0 mV時(shí), 微生物可在碳刷表面富集形成掛膜．U經(jīng)過(guò)峰值降低到20.0 mV時(shí)為1個(gè)運(yùn)行周期, 在每周期末更換接種污泥及電解液, 約3個(gè)周期后系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定,電池啟動(dòng)成功[6]．然后加入不同濃度的亞砷酸鈉溶液, As(Ⅲ)含量為0.00, 0.02, 0.04 g·L-1時(shí)的MFC反應(yīng)器分別記為MFC-0, MFC-1, MFC-2． 另采集開路條件下MFC-1的污染物樣品進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn), 記為開路MFC-1．每日采集1 mL陽(yáng)極室溶液經(jīng)0.22 μm的微孔濾頭過(guò)濾后進(jìn)行分析測(cè)定．

圖1 雙室MFC反應(yīng)器構(gòu)造示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual-chamber MFC reactor

1.2 分析和計(jì)算方法

1) 電化學(xué)分析．電流密度及功率密度計(jì)算公式為: ①I=U/R, 式中I為電流,U為電壓,R為電阻．②J=I/VNCC, 式中J為電流密度,VNCC為陽(yáng)極室凈容積(4.0×10-4m3)． ③P=U2/(R×VNCC), 式中P為功率密度．內(nèi)阻采用功率密度峰值法和極化曲線法測(cè)定[7]．

2) 砷濃度測(cè)定．采用高效液相色譜-氫化物發(fā)生-原子熒光光譜儀(SAP-10, 北京吉天環(huán)保設(shè)備有限公司)測(cè)定As(Ⅲ), As(V)的濃度, 色譜柱為Hamilton PRP X-100陰離子交換柱, 流動(dòng)相為15.0 mmol·L-1的(NH4)2HPO4, 用體積分?jǐn)?shù)為10%的甲酸調(diào)節(jié)pH約為5, 柱溫為30.0 ℃, 流速為1.0 mL·min-1．還原劑為20.0 g·L-1硼氫化鉀和5.0 g·L-1氫氧化鉀, 流速為4.0 mL·min-1．載流溶液為體積分?jǐn)?shù)為7%的鹽酸, 流速為7.0 mL·min-1．As(Ⅲ)的去除率αAs(Ⅲ)=(C0-Ci)/C0×100%, 式中C0,Ci分別為原配水樣和運(yùn)行周期末取樣的As(Ⅲ)濃度, mg·L-1．

3) COD含量測(cè)定．使用COD快速消解儀(AC-100, 廈門欣銳公司)采用重鉻酸鉀加熱回流法進(jìn)行測(cè)定, COD去除率χCOD=(Cin—Cout)/Cin×100%, 式中Cin和Cout分別為反應(yīng)前后陽(yáng)極水樣的COD濃度, mg·L-1．

4) DNA測(cè)定與高通量測(cè)序分析[8]．生物膜樣品采用Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行分析, DNA通過(guò)Omega E.Z.N.ATM Mag-Bind Soid DNA Kit (Norcross公司)試劑盒進(jìn)行提取, 采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增, 引物341F序列為CCTACGGGNGGCWGCAG,805R序列為GACTACHVGGGTATCTAATCC．PCR反應(yīng)條件為: 94 ℃預(yù)變性5.0 min; 94 ℃變性30 s, 55 ℃退火30 s, 72 ℃延伸45 s, 共35個(gè)循環(huán); 72 ℃ 延伸10.0 min結(jié)束．利用Qubit 2.0 DNA試劑盒檢測(cè)DNA含量．通過(guò)上海生工生物工程股份有限公司進(jìn)行16S rRNA 宏基因組測(cè)序．

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)電性能

圖2 MFC在不同As(Ⅲ)初始濃度下的產(chǎn)電特性Fig.2 Electricity generation characteristics of MFC at different initial concentrations of As(Ⅲ)

圖2為MFC在不同As(Ⅲ)初始濃度下的產(chǎn)電特性．如圖2(a)所示, 3組輸出電壓曲線都呈先穩(wěn)定上升后下降的趨勢(shì), MFC-0, MFC-1, MFC-2的最大電壓分別為639.2, 669.7, 518.6 mV, 表明As(Ⅲ)濃度對(duì)微生物的產(chǎn)電活性具有一定的影響．此外, MFC-2電壓周期比MFC-1的長(zhǎng)．原因可能是更多的As(Ⅲ)在微生物作用下發(fā)生氧化反應(yīng)生成As(V), 電子總數(shù)增加, 因此電壓周期更長(zhǎng)．由圖3(b)可見, MFC-0、MFC-1、MFC-2最大電流密度分別為7.858 9, 7.013 0, 3.992 0 A·m-3, As(Ⅲ)濃度越高, 其對(duì)應(yīng)的電流密度越?。蓤D3(c)可知, 功率密度值達(dá)最大值后受歐姆損失影響, 功率密度逐漸下降, MFC-0、MFC-1、MFC-2的最大功率密度值分別為2.020 1, 1.368 6, 0.638 5 W·m-3, 由歐姆定律得出對(duì)應(yīng)的內(nèi)阻值分別為199.0, 176.9, 498.9 Ω．在MFC系統(tǒng)中, As(Ⅲ)濃度越低的陽(yáng)極室微生物受抑制程度越小, MFC的活化損失(內(nèi)阻)越低, 體系所產(chǎn)生電能越大, 功率密度越高．MFC-2的陽(yáng)極微生物受As(Ⅲ)抑制程度較高, 微生物將乙酸鈉的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率降低, 最大功率密度較低．

2.2 除As(Ⅲ)效果

開路和閉路兩種情況下, 陽(yáng)極室中COD和As(Ⅲ)去除率的變化情況如圖3所示．由圖3可知, 運(yùn)行3 d后, MFC-1中COD去除率達(dá)75.75%, As(Ⅲ)的去除率達(dá)86.85%; 而開路MFC-1中COD去除率為70.04%, As(Ⅲ)去除率僅為25.13%．前者的As(Ⅲ)去除率是后者的3.46倍．說(shuō)明在電化學(xué)作用下, 微生物對(duì)As(Ⅲ)的去除效果明顯增強(qiáng)．圖3是開路和閉路條件下陽(yáng)極室中As(Ⅲ), As(V)的濃度變化結(jié)果．如圖3所示, MFC-1中的As(V)濃度隨著As(Ⅲ)濃度的減少而穩(wěn)定增加, 而開路MFC-1中則未檢測(cè)到As(V)的存在．說(shuō)明在MFC系統(tǒng)中As(Ⅲ)的去除可能主要是由于微生物的氧化作用, 以及污泥的物理吸附作用, 在電化學(xué)作用下As(Ⅲ)被微生物氧化為As(V), 從而實(shí)現(xiàn)As(Ⅲ)的氧化解毒．而在開路條件下, As(Ⅲ)的去除可能主要依靠污泥吸附和微生物的富集,而不是通過(guò)氧化反應(yīng)生成As(V)．

圖3 開路和閉路條件下MFC中COD和As(Ⅲ)的去除率Fig.3 Removal rate of COD and As(Ⅲ) in MFC under open and closed circuit conditions

圖4 開路和閉路條件下MFC中As(Ⅲ)、As(V)濃度的變化Fig.4 Changes in concentration of As(Ⅲ) and As(V) in MFC under open and closed circuit conditions

2.3 微生物優(yōu)勢(shì)種群分析

表1是對(duì)各反應(yīng)器陽(yáng)極碳刷樣本的α多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)．由表1可知, 樣本有效序列均大于20 000條,有效OTU數(shù)目共計(jì)16 412條,覆蓋率均超過(guò)0.91, 說(shuō)明該結(jié)果可以反映樣本物種的真實(shí)情況．對(duì)于Chao1和ACE指數(shù), MFC-1和MFC-2均低于MFC-0, 說(shuō)明加入As(Ⅲ)時(shí),陽(yáng)極菌群物種發(fā)生變化使豐富度降低．

微生物群落的組成結(jié)構(gòu)如表2所示．對(duì)比活性污泥和其他不同濃度As(Ⅲ)的MFC樣品可知, 在MFC運(yùn)行過(guò)程中,微生物群落中的物種會(huì)向特定功能群落演化,MFC生物膜在馴化過(guò)程中對(duì)微生物進(jìn)行淘汰和選擇．MFC-1中主要包含6種優(yōu)勢(shì)微生物種群: 變形菌門(Proteabacteria)、長(zhǎng)繩菌屬(Longilinea)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、梭狀芽孢桿菌(Clostridiumsensustricto)、綠彎菌門(Chloroflexi)和擬桿菌門(Firmicutes),相對(duì)豐度分別為55.0%,14.8%,14.7%,7.9%,7.3%,4.5%．Longilinea可代謝多種碳水化合物,生成有機(jī)酸、脂肪酸和有機(jī)酸氧化,分解結(jié)構(gòu)頑固化合物;Clostridiumsensustricto是嚴(yán)格的厭氧芽胞桿菌,可代謝多種碳水化合物;Firmicutes能夠利用電子介體進(jìn)行胞外電子轉(zhuǎn)移;Proteabacteria與As(Ⅲ)氧化細(xì)菌密切相關(guān)[9], 對(duì)As(Ⅲ)具有一定的氧化轉(zhuǎn)化作用[10], 這與本研究發(fā)現(xiàn)的MFC-1中Proteabacteria比例較高的結(jié)果相一致．

表1 微生物群落多樣性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Microbial community richness and diversity statistics of different samples

表2 微生物群落的組成結(jié)構(gòu)Tab.2 Composition of microbial communities %