沉積物微生物燃料電池河口底泥修復(fù)研究*

鐘傳強(qiáng) 胡江靈

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350)

近年來(lái)，隨著水環(huán)境治理工作在全國(guó)的開展，黑臭水體的底泥污染問題逐漸受到人們的重視。底泥作為污染源，在受到?jīng)_刷、擾動(dòng)的情況下會(huì)再懸浮，釋放污染物，造成水體的二次污染[1-3]。只有對(duì)污染底泥進(jìn)行去污處理，才能確保河道水體的清潔。

目前對(duì)于污染底泥的處理方法包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)等[4]。物理修復(fù)主要包括以掩蔽為主的原位處理和以疏浚為主的異位處理[5]，原位處理往往不徹底，而異位處理工程量大，造價(jià)高，且容易對(duì)環(huán)境造成二次污染；化學(xué)修復(fù)雖然高效，但是對(duì)原生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的潛在影響不明確；生物修復(fù)需要投加植物或外源微生物、電子受體或供氧劑[6]來(lái)加快污染降解速率，雖然對(duì)環(huán)境影響較小，但容易受到水流條件和土著微生物等的影響而弱化修復(fù)效果。近年來(lái)，利用沉積物微生物燃料電池(SMFC)原理的生物電化學(xué)處理方法作為一種新理念，逐漸受到人們的重視。

SMFC是一種可將陽(yáng)極區(qū)沉積物中的有機(jī)質(zhì)分解并產(chǎn)生電能的新型生物修復(fù)技術(shù)。電池包括埋在水底沉積物中的陽(yáng)極和懸浮或漂浮于水體的陰極，電池在運(yùn)行過(guò)程中消耗陽(yáng)極附近的污染物并產(chǎn)生電能，達(dá)到底泥污染物降解的目的[7-8]。

關(guān)于SMFC的研究最早可追溯到2001年，REIMERS等[9]使用鉑網(wǎng)作為陽(yáng)極，嵌入海洋沉積物中，使用石墨纖維作為陰極，嵌入表面海水中，利用海洋沉積物中的微生物和有機(jī)物獲得了最大為0.01 W/m2的持續(xù)功率，并研究它為海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期提供持續(xù)電力的可行性。此后，關(guān)于SMFC產(chǎn)電去污的研究迅速發(fā)展，但大多數(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，用于現(xiàn)場(chǎng)的研究較少。

本研究結(jié)合深圳市寶安區(qū)新涌河的現(xiàn)場(chǎng)情況，基于SMFC原理，將用于護(hù)岸工程的蜂巢格室結(jié)構(gòu)[10-11]與碳網(wǎng)結(jié)合制成陽(yáng)極，構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)大尺度SMFC裝置，研究該裝置的去污性能，并通過(guò)高通量測(cè)序，分析實(shí)驗(yàn)前后微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，希望為SMFC的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)背景

本實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于深圳市寶安區(qū)新涌河口，由于工程施工及上游污水排放等原因，該河流污染較為嚴(yán)重，底泥存在明顯的黑臭現(xiàn)象。該區(qū)域受海洋潮汐作用影響較大，潮汐屬于不正規(guī)半日潮，最高水位約2 m，退潮后底泥露出，為實(shí)驗(yàn)裝置提供了干法施工的條件。實(shí)驗(yàn)前測(cè)得區(qū)域上覆水體pH為8.0，鹽度為3.0 g/L，溶解氧為1.5～2.5 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置布置在現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)組以及空白組各一組。實(shí)驗(yàn)組及空白組單個(gè)區(qū)域均長(zhǎng)3.2 m，寬1.4 m。實(shí)驗(yàn)組為蜂巢格室結(jié)構(gòu)熱壓碳網(wǎng)陽(yáng)極的SMFC裝置(見圖1)，空白組不做任何處理。實(shí)驗(yàn)組陽(yáng)極結(jié)構(gòu)見圖2(a)，采用護(hù)岸工程中常用的蜂巢格室結(jié)構(gòu)，熱壓碳網(wǎng)提供導(dǎo)電性。蜂巢格室單個(gè)格室長(zhǎng)210 mm，寬245 mm，高200 mm，插入底泥中，布滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域。陰極結(jié)構(gòu)見圖2(b)，由兩層石墨氈中間夾一層鈦絲網(wǎng)構(gòu)成，長(zhǎng)40 cm，寬20 cm，四周均勻綁扎漂浮球，可漂浮于水面上；電極通過(guò)鈦絲外接銅導(dǎo)線構(gòu)成回路，外接680 Ω的電阻，接口處用硅橡膠密封。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 陽(yáng)極和陰極示意圖

由于上覆水體流動(dòng)較快，為避免底泥的運(yùn)動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾，使用寬木板對(duì)區(qū)域進(jìn)行分隔。實(shí)驗(yàn)開始前，清除雜物，并使用機(jī)械攪拌器確保底泥混合均勻。

1.3 檢測(cè)指標(biāo)與方法

使用無(wú)紙記錄儀(SIN-R9600)實(shí)時(shí)記錄檢測(cè)外電路電壓的變化，每隔5 min記錄一次數(shù)據(jù)。使用溶解氧測(cè)定儀(JPB-607A)隔天測(cè)定水體中溶解氧含量。使用pH計(jì)(AZ8684)隔天測(cè)定水體pH，使用鹽度計(jì)(AZ8371)隔天測(cè)定水體鹽度。

本實(shí)驗(yàn)區(qū)域較大，為確保取樣的均勻性，降低實(shí)驗(yàn)誤差，取底泥樣品時(shí)均勻采集5個(gè)點(diǎn)，充分混合后送檢。使用Multi N/C 3100總有機(jī)碳(TOC)分析儀聯(lián)合HT1300固體模塊測(cè)定TOC，參照《土壤質(zhì)量 全氮的測(cè)定 凱氏法》(HJ 717—2014)測(cè)定全氮(TN)。

1.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

1.4.1 DNA提取

使用TGuide S96磁珠法土壤/糞便基因組DNA提取試劑盒，從濕質(zhì)量為300 mg的泥樣中提取細(xì)菌DNA，將DNA儲(chǔ)存在-80 ℃條件下待用。通過(guò)1%瓊脂糖凝膠電泳和分光光度法(利用波長(zhǎng)260、280 nm下吸光度比值)，可清晰反映樣品的純度水平。

1.4.2 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增

用引物擴(kuò)增細(xì)菌16S rDNA的全長(zhǎng)，其中正向引物為27F：5’-AGRGTTTGATYNTGGCTCAG-3’，反向引物為1492R：5’-TASGGHTACCTTGTTASGACTT-3’。PCR擴(kuò)增的總體積是30 μL，包含15 μL緩沖液，0.2 μL Q5高保真DNA聚合酶，10 μL高鳥嘌呤和胞嘧啶(GC)增強(qiáng)劑，1 μL脫氧核糖核苷三磷酸(dNTP)，10 μmol/L正向和反向引物,50 ng 環(huán)境中提取的總DNA。PCR循環(huán)體系如下：95 ℃預(yù)變性2 min，98 ℃變性10 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸90 s，共25個(gè)循環(huán)，72 ℃保持2 min。

對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行Qubit定量和1.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后，使用SMRTbell Template Prep Kit建庫(kù)試劑盒回收擴(kuò)增產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)AMpure PB磁珠純化后得到測(cè)序文庫(kù)，質(zhì)檢合格的文庫(kù)使用Sequel Ⅱ測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行上機(jī)測(cè)序。

1.4.3 多樣性分析

通過(guò)對(duì)環(huán)形一致性測(cè)序(CCS)序列過(guò)濾，操作分類單元(OTU)聚類，物種注釋及豐度分析，揭示樣品的物種構(gòu)成，并進(jìn)一步進(jìn)行多樣性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 TOC和TN的變化

經(jīng)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)開始前實(shí)驗(yàn)區(qū)域底泥(即初始樣品)中TOC為15.37 mg/g。3個(gè)月后，實(shí)驗(yàn)組的TOC為7.72 mg/g，空白組的TOC為9.47 mg/g(見圖3)，實(shí)驗(yàn)組比空白組低18.5%。空白組底泥TOC下降38.4%，實(shí)驗(yàn)組底泥TOC下降49.8%，實(shí)驗(yàn)組底泥的TOC降解量為空白組的1.3倍。本研究TOC降解與已有研究相比具有一定的進(jìn)步，例如LI等[12]2構(gòu)建的SMFC，經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的運(yùn)行，TOC降解量為空白組的1.2倍；李燕青等[13]構(gòu)建的SMFC運(yùn)行33 d后，有機(jī)質(zhì)最高去除率為17.12%；HONG等[14]搭建的SMFC經(jīng)過(guò)9個(gè)月的運(yùn)行后，有機(jī)質(zhì)下降21.9%。本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的SMFC裝置為現(xiàn)場(chǎng)施工，實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)殚_放河口，難免會(huì)產(chǎn)生一定的實(shí)驗(yàn)誤差，但分析整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化可發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)底泥中TOC的降解有較明顯的促進(jìn)作用。

圖3 TOC的變化

經(jīng)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)開始前實(shí)驗(yàn)區(qū)域底泥中的TN為853 mg/kg。3個(gè)月后，空白組TN為1 270 mg/kg，實(shí)驗(yàn)組TN為984 mg/kg(見圖4)，實(shí)驗(yàn)組比空白組TN低22.5%，高于LI等[12]2實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)(18.5%)。實(shí)驗(yàn)開始一個(gè)月后，空白組底泥TN含量明顯上升，實(shí)驗(yàn)組底泥的TN含量雖有所上升，但明顯低于空白組。由于實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)殚_放河口，上覆水體和底泥之間持續(xù)進(jìn)行物質(zhì)交換，底泥中污染物的含量受上覆水體的影響。故空白組TN含量的升高，可能與7—9月間，新涌河河水的氮污染加重有關(guān)，遺憾的是，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未對(duì)上覆水體中的COD和TN含量進(jìn)行檢測(cè)。3個(gè)月后，實(shí)驗(yàn)組底泥TN含量明顯低于空白組，證明該裝置對(duì)于底泥TN的降解具有一定的促進(jìn)作用。

圖4 TN的變化

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也對(duì)電壓進(jìn)行了記錄，裝置于7月23日安裝運(yùn)行，啟動(dòng)電壓為0.15 V。此后，隨著陽(yáng)極上生物膜的形成，電壓持續(xù)上升，到8月14日達(dá)到最大值(0.78 V)。之后一個(gè)月內(nèi)，電壓穩(wěn)定在0.6 V左右，直到9月中旬，電壓開始逐漸下降，可能與裝置的老化以及污染物濃度的下降有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的SMFC產(chǎn)生的電壓與其他類似的現(xiàn)場(chǎng)大尺度SMFC相當(dāng)[15]。

2.2 微生物群落分析

2.2.1 Alpha多樣性分析

Alpha多樣性反映的是單個(gè)樣品物種豐度及物種多樣性[16-17]，其中Chao1指數(shù)可以用來(lái)衡量物種的豐度即物種數(shù)量的多少。實(shí)驗(yàn)組的Chao1指數(shù)為1 341.50，高于空白組的1 337.69，物種豐度有較小提升，但實(shí)驗(yàn)組的Chao1指數(shù)低于初始樣品的1 438.55，這可能與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境變化有關(guān)。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)在開放環(huán)境下進(jìn)行，干擾因素較多，且已有學(xué)者證明，溫度會(huì)對(duì)微生物群落產(chǎn)生影響，夏季微生物的物種豐度要高于秋冬季節(jié)[18]。

Alpha多樣性也可以用Simpson指數(shù)來(lái)衡量，Simpson指數(shù)越小，說(shuō)明物種多樣性越高。運(yùn)行3個(gè)月后，實(shí)驗(yàn)組的Simpson指數(shù)為0.007 3，低于初始樣品的0.009 2和空白組的0.007 8，證明SMFC能夠提高陽(yáng)極附近的微生物群落多樣性。

另外，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了OTU覆蓋率，其數(shù)值越高，則樣本中物種被測(cè)出的概率越高。初始樣品、空白組和實(shí)驗(yàn)組的OTU覆蓋率分別為0.998 6、0.999 5和0.999 2，這表明測(cè)序結(jié)果可以代表樣本中微生物的真實(shí)情況。

2.2.2 群落結(jié)構(gòu)分析

在SMFC中，以各種功能菌為代表的微生物是降解有機(jī)污染物的生物基礎(chǔ)[19]。陽(yáng)極微生物群落在門水平上的分布見圖5，初始樣品和空白組的優(yōu)勢(shì)菌門均為綠彎菌門、變形菌門，兩者在初始樣品中的占比分別為31.73%、29.95%，在空白組中的占比分別為30.35%、29.33%；而實(shí)驗(yàn)組的優(yōu)勢(shì)菌門為變形菌門、綠彎菌門，占比分別為32.78%、26.49%。變形菌門因其具有提供電子的能力而在SMFC中占優(yōu)勢(shì)[20]，這與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似[21]。藍(lán)菌門在實(shí)驗(yàn)組中的相對(duì)豐度為5.43%，高于初始樣品的4.05%和空白組的2.90%，在閉路SMFC條件下發(fā)生了富集，此前已經(jīng)有學(xué)者證明藍(lán)菌門能夠在SMFC中發(fā)電[22]。此外，厚壁菌門和放線菌門也發(fā)生富集，而擬桿菌門的相對(duì)豐度有所下降。可以看出，SMFC的引入會(huì)對(duì)沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

圖5 門水平細(xì)菌相對(duì)豐度分布

陽(yáng)極微生物群落在綱水平上的分布見圖6，初始樣品、空白組和實(shí)驗(yàn)組的優(yōu)勢(shì)菌綱均為厭氧繩菌綱、δ-變形菌綱和γ-變形菌綱，厭氧繩菌綱的相對(duì)豐度最大，在初始樣品、空白組和實(shí)驗(yàn)組中的相對(duì)豐度分別為26.40%、28.86%、25.36%。δ-變形菌綱被認(rèn)為是電子傳遞到電極上的原因[23]，在初始樣品、空白組和實(shí)驗(yàn)組中的相對(duì)豐度分別為12.91%、13.32%、12.64%，沒有在陽(yáng)極附近富集，發(fā)電屬性未得到體現(xiàn)。γ-變形菌綱負(fù)責(zé)電子傳遞和發(fā)電，在初始樣品、空白組和實(shí)驗(yàn)組中的相對(duì)豐度分別為13.39%、11.94%和14.53%。梭菌綱發(fā)生了一定程度的富集，這與此前的研究相吻合[24]。

圖6 綱水平細(xì)菌相對(duì)豐度分布

在屬水平上，此前的研究表明SMFC將刺激脫硫球莖菌屬(Desulfobulbus)豐度的增加[25]，本實(shí)驗(yàn)中，脫硫球莖菌屬相對(duì)豐度從1.81%增長(zhǎng)到2.51%。作為最常見的產(chǎn)電細(xì)菌之一，地桿菌屬(Geobacter)常被認(rèn)為參與發(fā)電[26]，但在本實(shí)驗(yàn)中并沒有得到體現(xiàn)，此前部分研究者也得到了相似的結(jié)果[27-28]。

3 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)行3個(gè)月后，實(shí)驗(yàn)區(qū)域底泥的TOC、TN分別比空白組低18.5%、22.5%，證明SMFC在一定程度上能加快底泥中污染物的降解，為SMFC用于現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)電去污提供了工程經(jīng)驗(yàn)。SMFC的引入提高了陽(yáng)極附近沉積物中微生物群落的多樣性，微生物群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變。變形菌門成為最優(yōu)勢(shì)菌門，一些常見的發(fā)電菌(脫硫球莖菌屬等)得到富集，但也有部分常見的發(fā)電菌，例如地桿菌屬，在本實(shí)驗(yàn)中并沒有得到體現(xiàn)。