陽極改性的SMFC對恩諾沙星的降解性能和同步產(chǎn)電研究?

趙南南， 金春姬??， 范莎莎， 古柏銘， 溫 淳， 趙陽國

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點試驗室， 山東 青島 266100)

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，抗生素類藥物被廣泛使用，但同時帶來了抗生素原藥或代謝產(chǎn)物在環(huán)境中的殘留問題。目前，抗生素被認(rèn)為是新興的污染物，它們對生態(tài)系統(tǒng)存在潛在毒性，對抗生素耐藥細(xì)菌和耐藥基因存在持續(xù)選擇性壓力[1]。在抗生素的種類、數(shù)量和檢出率方面，養(yǎng)殖區(qū)沉積物均遠遠高于水體，說明養(yǎng)殖區(qū)沉積物不僅是抗生素的儲存庫，也是水體抗生素潛在的釋放源[2]。

與其它抗生素相比，喹諾酮類抗生素由于抗菌譜廣、殺菌作用強、耐藥性和毒副作用小等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中[3]。其中恩諾沙星屬第三代氟喹諾酮類抗生素，目前被我國指定為動物專用藥，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中防治病害[4]。由于恩諾沙星有較大的疏水性，極易被吸附在沉積物中[3]，在養(yǎng)殖沉積物中有很高的殘留濃度和檢出率[5]，因此研究沉積物中恩諾沙星的去除方法對降低海水養(yǎng)殖區(qū)抗生素的污染具有重要意義。目前對海水養(yǎng)殖過程抗生素去除的研究主要集中在海水中抗生素的降解，關(guān)于沉積物中抗生素去除技術(shù)的報道較少，尤其對海水養(yǎng)殖區(qū)沉積物中抗生素去除的報道更是匱乏。趙晴[6]構(gòu)建河湖沉積物微生物燃料電池，運行 45 d 后發(fā)現(xiàn)，沉積物中四環(huán)素和土霉素均有一定的降解效果，去除率分別為 67.8%和60%。鄧經(jīng)惠[7]應(yīng)用沉積物微生物燃料電池對沉積物中的磺胺甲噁唑進行降解，運行 25 d 后去除率高達 80% 以上。

已有研究表明，沉積物微生物燃料電池(Sediment microbial fuel cell, SMFC)可以有效降解沉積物中多種持久性污染物，包括多環(huán)芳烴[8]、多氯聯(lián)苯[9]和抗生素[10]等。SMFC是微生物燃料電池 (Microbial fuel cell, MFC)的一種，它在降解污染物的同時，可以將有機廢物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能[11]。生物電化學(xué)過程中的電子是通過陽極(埋在厭氧的沉積物中)上的電化學(xué)活性細(xì)菌氧化有機物產(chǎn)生的，并遷移到陰極(懸浮在有氧的上覆水中)，最終與水中的氧氣、質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)生成水[12-13]。陽極材料的選擇對產(chǎn)電性能至關(guān)重要，主要表現(xiàn)在微生物附著和電子傳遞方面[14]。近年來，聚苯胺(Polyaniline, PANI)和MnO2得到了廣泛的研究：PANI是一種導(dǎo)電聚合物，易于經(jīng)濟合成且生物相容性較高[15]；MnO2是過渡金屬氧化物，原料廉價易得，化學(xué)穩(wěn)定性好并且對環(huán)境友好[16]；但是它們也分別存在機械強度差[17]、導(dǎo)電性不高[18]等缺點。理想的陽極材料應(yīng)該滿足比表面積大、導(dǎo)電性強和生物相容性高等要求[19]，因此通常利用不同材料的優(yōu)點進行復(fù)合以制得良好的陽極。

本研究以海水養(yǎng)殖區(qū)沉積物為燃料構(gòu)建 SMFC系統(tǒng)，通過合成PANI、MnO2、PANI/MnO23種材料對陽極碳?xì)?Carbon felt, CF)進行修飾，以提高SMFC的產(chǎn)電性能；以沉積物中特定污染物恩諾沙星為研究對象，探究 SMFC 系統(tǒng)對恩諾沙星的去除效果和同步產(chǎn)電性能；結(jié)合恩諾沙星降解過程的生物毒性分析來驗證SMFC系統(tǒng)作為新興的生物修復(fù)技術(shù)對沉積物中抗生素類污染物去除的可行性。研究結(jié)果可為SMFC 系統(tǒng)在底泥生物修復(fù)的實際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集和預(yù)處理

沉積物采自山東省海洋生物研究院海水養(yǎng)殖基地，用不銹鋼篩網(wǎng)過篩去除雜質(zhì)后再離心棄去上清液，最后攪拌均勻避光保存。在同一地點采集新鮮的養(yǎng)殖海水。沉積物和海水樣品均儲存在 4 ℃ 的冰箱里備用。

1.2 三種改性陽極的制備

采用原位化學(xué)聚合法制備三種改性陽極[20]。

對CF進行預(yù)處理：在丙酮溶液中浸泡24 h后在乙醇溶液中超聲清洗30 min，再將其分別放在10% H2O2和10% 稀HCl中，90 ℃ 水浴各加熱3 h，用蒸餾水沖洗干凈后置于 60 ℃ 烘箱中干燥備用。

MnO2/CF：稱取0.245 g的MnO2粉末，加入5 mL去離子水，超聲分散 30 min，再加入3 mL 60% 的聚四氟乙烯(PTFE)乳液，用毛刷均勻地涂抹在預(yù)處理后的CF表面，并在 40 ℃ 烘箱中烘干。

PANI/CF：稱取2.28 g過硫酸銨(APS)，溶于1 mol·L-1HCl溶液中備用。量取0.91 mL蒸餾提純后的苯胺單體，溶解到300 mL 1 mol·L-1HCl溶液中，將預(yù)處理后的CF浸沒在上述溶液中，并在冰浴和磁力攪拌條件下逐滴加入25 mL APS溶液，反應(yīng)6 h，取出CF(墨綠色)，置于1 mol·L-1HCl中浸泡直至不褪色，用去離子水沖洗后放在 60 ℃ 烘箱中烘干。

PANI-MnO2/CF：將上述MnO2和PANI溶液在常溫下反應(yīng) 5 h，用丙酮和0.2 mol·L-1HCl溶液洗滌去除反應(yīng)副產(chǎn)物，然后在1 mol·L-1HCl溶液中浸泡 1.5 h 后過濾洗滌多次，所得樣品在 60° C 下干燥研磨即得 PANI/MnO2復(fù)合材料。稱取0.32 g復(fù)合材料與PTFE稀釋液混合，超聲分散30 min，制成漿糊，將其均勻涂覆在預(yù)處理后的CF表面，60 ℃ 下干燥即得PANI-MnO2/CF改性陽極。

1.3 SMFC 系統(tǒng)的構(gòu)建與運行

本實驗采用5個 SMFC反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)容器為1 L 的燒杯，底部沉積物和上覆海水的厚度均為5 cm。陰陽極均選用碳?xì)?，直徑? cm，厚度為 0.5 cm，陽極埋在沉積物中，距離反應(yīng)器底部 2 cm，陰極漂浮在水面上，陰陽極的間距為 7.5 cm。選用耐腐蝕的鈦絲作為導(dǎo)線，直徑 0.5 mm，連接陰陽極的外阻為1 500 Ω。裝置全程在黑暗條件下運行。

圖1 SMFC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

表1 為不同反應(yīng)裝置的運行條件。研究不同改性陽極SMFC的產(chǎn)電性能時，將未改性CF、MnO2/CF、PANI/CF、PANI-MnO2/CF修飾的SMFC系統(tǒng)依次命名為SMFC-1、SMFC-2、SMFC-3、SMFC-4。研究沉積物中恩諾沙星的降解情況時，向處理好的沉積物中加入12.81 ng·g-1的恩諾沙星，分別設(shè)置實驗組和對照組。實驗組(有SMFC系統(tǒng))選用PANI-MnO2/CF復(fù)合電極做陽極，對照組(無SMFC系統(tǒng))模擬自然環(huán)境下抗生素的降解情況。

表1 不同反應(yīng)裝置的運行條件

1.4 分析項目與方法

用萬用表采集SMFC 的電壓。采用穩(wěn)態(tài)放電法測定SMFC 的極化曲線，改變電阻箱的阻值，使外電阻阻值在 10 000～100 Ω 的范圍內(nèi)不斷降低。功率密度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法計算[21]。用掃描電鏡(Scanning electron microscope, SEM)表征CF、MnO2/CF、PANI/CF、PANI-MnO2/CF 4種電極的表面形貌，X射線能譜(Energy dispersive X-ray spectrometry, EDX)表征PANI-MnO2/CF的元素組成。用固相萃取(Solid phase extraction, SPE)提取樣品中的抗生素、高效液相色譜-質(zhì)譜(High performance liquid chromatography-mass spectrometry, HPLC-MS)測定恩諾沙星的濃度[22]。恩諾沙星的色譜條件如下：色譜柱：Waters BEH C18(2.1 mm×100 mm，1.7 μm)；柱溫：40 ℃；進樣量：5 μL；流動相：(A) 0.1%甲酸-10 mmol甲酸銨水溶液 (B)乙腈；流速：0.3 mL·min-1；熒光檢測波長:激發(fā)波長280 nm，發(fā)射波長452 nm。恩諾沙星的質(zhì)譜條件如下：離子源模式：ESI；正離子模式傳輸毛細(xì)管溫度：250 ℃；離子源溫度：350 ℃；霧化器溫度：325 ℃；電壓：3.2 kV；采集模式：一級高分辨母離子模式。稱重法測定沉積物的燒失量(Loss of ignition, LOI)。發(fā)光細(xì)菌法測定抗生素的生物急性毒性[23]。

2 結(jié)果與討論

2.1 陽極表征

如圖2所示，a、b、c、d依次是未改性CF、PANI/CF、MnO2/CF、PANI-MnO2/ CF的掃描電鏡圖像?？梢钥闯?，未改性CF碳纖維表面光滑、干凈，有少量的淺溝槽，紋路清晰；PANI修飾的CF表面出現(xiàn)絮狀沉積聚合物且結(jié)構(gòu)疏松，說明顆粒間存在團聚現(xiàn)象，加大了CF的粗糙程度，有利于微生物的富集；MnO2顆粒飽滿且表面比較光滑，一定程度上提高了CF的比表面積，但分散不均勻；PANI-MnO2/CF復(fù)合材料修飾的CF表面不僅粗糙而且致密緊湊，大大提高了顆粒的表面積，有利于微生物在顆粒的三維方向上吸附生長，增加微生物的吸附數(shù)量，加大反應(yīng)位點以提高產(chǎn)電性能。

圖2 不同陽極的掃描電鏡圖像

為了鑒定PANI是否被MnO2顆粒包裹，對制備的PANI-MnO2/CF復(fù)合材料進行了EDX元素組成分析。如圖3所示，EDX表明復(fù)合材料表面含有氮元素、錳元素和氧元素，證明MnO2成功涂覆在PANI的表面。

圖3 PANI-MnO2/CF的X射線能譜圖

2.2 陽極改性的SMFC 產(chǎn)電性能

分別采用未改性CF、MnO2/CF、PANI/CF、PANI-MnO2/CF為陽極，研究了以海水養(yǎng)殖區(qū)沉積物為燃料的 SMFC系統(tǒng)的產(chǎn)電性能。

由圖 4可知，4種不同陽極修飾的SMFC系統(tǒng)，其電壓隨時間變化的整體趨勢一樣，自啟動第1天起就開始產(chǎn)生電壓，并且一直持續(xù)上升最終趨于穩(wěn)定。其中輸出電壓最高的是SMFC-4裝置，在第10天左右電壓趨于穩(wěn)定，說明此時產(chǎn)電細(xì)菌已成功富集在陽極生物膜上，電池啟動成功[24]，最后電壓達到最大值602 mV。而裝置SMFC-2和SMFC-3的電壓始終低于SMFC-4，最大電壓分別為 582 和572 mV； SMFC-1啟動速率是最慢的，輸出電壓也是最低的，第15天時才達到最大電壓561 mV。從圖5可知，裝置SMFC-1、SMFC-2、SMFC-3和SMFC-4的最大功率密度分別為 80.52、141.83、95.10和165.09 mW·m-2，其中裝置SMFC-4的最大功率密度最大，產(chǎn)電性能最佳。陽極改性后的裝置SMFC-2、SMFC-3和SMFC-4最大功率密度分別是未改性裝置SMFC-1的1.76、1.18和2.05倍。圖6是極化曲線，它的斜率表示電池內(nèi)阻的大小，內(nèi)阻越大，電子傳遞效率越低?？梢钥闯鲫枠O改性后裝置SMFC-2、SMFC-3和SMFC-4的斜率均比未改性裝置SMFC-1的平緩，說明它們的內(nèi)阻都小于SMFC-1的內(nèi)阻。改性后的陽極提高了電池的抗極化能力，進而使 SMFC產(chǎn)電穩(wěn)定性增強。

圖4 不同陽極條件下的電壓變化

圖5 不同陽極條件下的功率密度曲線

圖6 不同陽極條件下的極化曲線

通過分析輸出電壓、功率密度和極化曲線，可知4種不同陽極修飾的SMFC 系統(tǒng)的產(chǎn)電性能從大到小依次為SMFC-4>SMFC-2>SMFC-3>SMFC-1。因此通過陽極改性可以使電極的比表面積增大，從而增加了產(chǎn)電細(xì)菌在電極的附著量，生物相容性增大，使電極得以活化，電子的傳遞效率大大提高，最終提高了電池的產(chǎn)電性能[25]。

2.3 恩諾沙星對SMFC產(chǎn)電性能的影響

由2.2得知，PANI-MnO2/ CF為陽極的SMFC 系統(tǒng)產(chǎn)電性能最佳，因此選用PANI-MnO2/ CF進行實驗。圖7為實驗組的輸出電壓變化和功率密度曲線。從圖中可以看出，輸出電壓在實驗前期(7～8 d內(nèi))先緩慢增長，后面急速上升，15 d后趨于穩(wěn)定，最終達到最大電壓633 mV，并且最大功率密度為175 mW·m-2。與裝置SMFC-4相比，抗生素的加入只是延長了電池的啟動時間，電池的最大輸出電壓和功率密度不僅沒有下降反而有所提高，Zhang等[26]也有類似的研究結(jié)果。這說明剛開始恩諾沙星的加入只是暫時抑制了產(chǎn)電細(xì)菌的生長，7 d后產(chǎn)電細(xì)菌對恩諾沙星有了耐受性[27]，并把抗生素作為陽極電子供體加以利用，促進了SMFC系統(tǒng)的電子傳遞，從而促進了SMFC產(chǎn)電性能的提高，這與Zhou等[28]的結(jié)果相一致?？股氐募尤氩⒉欢际且种莆⑸锏纳L，SMFC系統(tǒng)對抗生素具有很強的耐受性，在一定范圍內(nèi)低濃度的抗生素可以促進SMFC產(chǎn)電性能的提高。

圖7 實驗組的輸出電壓變化和功率密度曲線

2.4 恩諾沙星的去除效果分析

圖8為恩諾沙星在沉積物中的含量變化。隨著反應(yīng)時間增加，沉積物中恩諾沙星含量一直在下降，且實驗組的下降速率大于對照組的下降速率。恩諾沙星在沉積物中的初始含量均為12.81 ng·g-1，而實驗?zāi)┢诙髦Z沙星的含量分別為5.18和10.29 ng·g-1，去除率分別達到了59.52%和19.53%。實驗組對沉積物中恩諾沙星的去除率是對照組的3.05倍，說明SMFC 系統(tǒng)可以有效去除沉積物中的恩諾沙星，從而減少恩諾沙星向上覆海水中擴散的濃度。這是因為一方面恩諾沙星成為產(chǎn)電細(xì)菌的碳源之一[10]，繼而被產(chǎn)電細(xì)菌利用，從而加快了抗生素的去除；另一方面由于沉積物中加入了SMFC系統(tǒng)，為降解恩諾沙星的微生物提供了更多的活性位點，大大提高了降解該種抗生素菌群的生存空間和成活條件[29]。

圖8 沉積物中恩諾沙星的降解情況

表2為海水中恩諾沙星的濃度變化和降幅。雖然初期上覆海水中沒有恩諾沙星，但在整個運行過程中，沉積物中的恩諾沙星不斷向上覆海水中遷移擴散，即沉積物為恩諾沙星的釋放源。在實驗組和對照組兩個裝置中，海水里恩諾沙星的濃度都是先升高后下降，但在整個遷移擴散過程中，實驗組遷移到上覆海水里恩諾沙星的濃度始終低于對照組。在第5天到第25天內(nèi)，對照組遷移到上覆海水的恩諾沙星濃度從0.021 ng·mL-1減少到0.018 ng·mL-1，降幅為14.29%。實驗組遷移到上覆海水的恩諾沙星濃度從0.019 ng·mL-1減少到0.005 ng·mL-1，降幅為73.68%，是對照組的5.16倍。另外，上覆海水中恩諾沙星的降幅與沉積物中恩諾沙星的降幅正相關(guān)。

表2 海水中恩諾沙星的濃度變化

因此，應(yīng)用 SMFC系統(tǒng)既可以有效降解沉積物中的恩諾沙星，減輕對上覆海水的內(nèi)源污染，也能使遷移到上覆海水中恩諾沙星的濃度大幅度降低，在一定程度上同時減少沉積物和上覆水中抗生素的污染。

2.5 沉積物中有機物含量的變化

采用LOI分析各裝置沉積物中可氧化有機質(zhì)含量的變化，結(jié)果如表3所示。初始LOI為4.3%，在實驗?zāi)┢趯嶒灲M和對照組中沉積物的LOI分別降低到1.7%和3.11%，降幅分別為60.47%和 27.67%。實驗組對LOI的降幅是對照組的2.19倍。這些結(jié)果表明，SMFC系統(tǒng)對有機物的降解效果優(yōu)于自然情況下的生物厭氧降解。因為SMFC系統(tǒng)中的電極為微生物提供了更多的活性位點，閉路條件又為電子傳遞提供了便利，從而加快了沉積物中有機物的氧化。另外，沉積物中的有機物在SMFC系統(tǒng)被陽極上的細(xì)菌氧化后，在沉積物表面形成氧化層，該氧化層可以防止沉積物中的有毒化合物擴散到上覆海水中，使養(yǎng)殖區(qū)的水質(zhì)更好地適合養(yǎng)殖動物的生長。反過來，利用SMFC系統(tǒng)也能更好地維持養(yǎng)殖區(qū)底部沉積物氧化層不受破壞[30]。

表3 沉積物燒矢量的變化

2.6 生物毒性分析

用發(fā)光細(xì)菌法分別檢測實驗組和對照組反應(yīng)過程中海水和沉積物中的生物毒性變化。發(fā)光抑制率越高，生物急性毒性越強。

圖9為海水中的生物毒性變化。隨著反應(yīng)的進行，實驗組和對照組的發(fā)光抑制率均先升高后下降，海水中毒性也是先升高后下降，說明遷移到海水中的目標(biāo)污染物恩諾沙星的濃度也是先升高后下降，表明實驗組和對照組對海水中恩諾沙星的去除均有效果。但是實驗組的發(fā)光抑制率總是低于對照組，尤其12 d以后，實驗組的發(fā)光抑制率為負(fù)值，最終海水未檢測出毒性。這些結(jié)果說明，海水經(jīng)SMFC系統(tǒng)處理后的生物毒性遠低于自然降解條件下的生物毒性，與系統(tǒng)中恩諾沙星的去除率高是一致的。Li等[31]在應(yīng)用CW-MFC裝置對磺胺類抗生素的降解過程中也得到類似的結(jié)果，最終出水無毒性。

圖9 海水中的生物毒性變化

圖10為沉積物中的生物毒性變化。隨著反應(yīng)的進行，實驗組和對照組的發(fā)光抑制率均一直下降，說明沉積物中目標(biāo)污染物恩諾沙星的濃度也一直在下降，因此沉積物中的生物毒性在降低。與海水中生物毒性變化趨勢一樣，實驗組的發(fā)光抑制率始終低于對照組，最終實驗組的發(fā)光抑制率低于2%，為低毒。說明SMFC系統(tǒng)對恩諾沙星的去除有顯著效果。

圖10 沉積物中的生物毒性變化

3 結(jié)論

(1) 用原位化學(xué)聚合法制備了3種電極材料以改性陽極碳?xì)?MnO2/CF、PANI/CF、PANI-MnO2/CF)。3種改性碳?xì)直砻娣e和粗糙程度均比未改性碳?xì)执?，有利于產(chǎn)電細(xì)菌的富集，促進陽極電子傳遞。其中PANI-MnO2/CF改性的SMFC系統(tǒng)產(chǎn)電性能最好，最高輸出電壓為602 mV，最大功率密度為165.09 mW·m-2。

(2) 低濃度恩諾沙星(12.81 ng·g-1)的存在既可以提高SMFC系統(tǒng)的產(chǎn)電性能，也可以被SMFC系統(tǒng)有效降解，去除率為59.52%；從沉積物遷移到上覆海水的恩諾沙星濃度先升高后下降，降幅為72.73%，是自然條件下的5.16倍。由于陽極微生物對恩諾沙星有很好的耐受性，恩諾沙星可以作為碳源被產(chǎn)電細(xì)菌和抗生素類降解細(xì)菌利用，從而提高產(chǎn)電性能和抗生素的去除效果。

(3) SMFC系統(tǒng)對沉積物中有機物的降解效果優(yōu)于自然條件下的生物降解，LOI的降幅分別為60.47%和 27.67%。SMFC系統(tǒng)在氧化沉積物中有機物的同時在其表面形成氧化層，該氧化層可以防止沉積物中的有毒化合物擴散到上覆海水中。

(4) SMFC系統(tǒng)運行結(jié)束后上覆海水未檢測出生物毒性，最終沉積物中的生物毒性遠低于自然降解條件下的生物毒性，說明SMFC系統(tǒng)可降低海水和沉積物中恩諾沙星的生態(tài)風(fēng)險。