MFC的除As(Ⅲ)产电性能及其优势微生物种群

李蓓蓓, 汪家权, 郭 婧, 祁 晨, 储朋朋, 程建萍*

(合肥工业大学a. 资源与环境工程学院; b 机械工程学院, 合肥230009)

水体砷污染已成为全球性的环境问题, 砷主要以无机化合物形式存在于水环境中, 其中As(Ⅲ)比As(V)的毒性高约60倍, 因此将As(Ⅲ)在一定条件下氧化为As(V)是一种砷解毒的治污方法[1]．目前, 处理含砷废水的方法主要有生物法、离子交换法和膜分离法等,微生物除砷技术主要是利用微生物的生物吸附作用和新陈代谢对水中的砷进行氧化和甲基化[2]．杨婷婷等[3]利用生物滤池处理含砷地下水, 发现Pseudomonassp. QJX-1菌在氧化反应中占主导地位, As(Ⅲ)氧化率达95.0%．另外, 电化学方法处理水污染的研究也逐渐受到关注．其中, 微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)是以电活性微生物为催化剂, 将废水中有机物的化学能转变为电能的装置, 可同时满足废水处理和产电的需求, 且操作条件温和、无需能耗、易于回收,是一种环境友好型处理方法．MFC产生的微电流促进微生物的氧化反应, 提高微生物的活性, 可改善As(Ⅲ)的解毒效果．申中正等[4]构建了微生物燃料电池-零价铁(MFC-ZVI)耦合工艺, 使除砷效率得到显著提高．本文研究双室MFC对不同浓度含砷废水的As(Ⅲ)去除情况、产电性能及其优势功能菌群的组成, 结果可为MFC处理含砷废水的应用提供理论依据．

1 材料与方法

1.1 MFC的构造与运行

本实验采用亚克力材料制成的双室MFC, 其构造见图1所示．电极为自制碳刷(4.0 cm×13.0 cm), 阴阳极室的长宽高均为100 mm×40 mm×100 mm, 两室之间用质子交换膜(Nafion 117, DuPont公司)隔开, 外接1 kΩ电阻．

将10 mL取自某污水处理厂氧化沟中兼性厌氧段的污泥和400 mL营养液(0.641 g·L-1乙酸钠、2.883 g·L-1磷酸二氢钾、6.571 g·L-1磷酸氢二钾、矿物质和维生素[5])加入阳极室; 在阴极室加入400 mL电解液(16.462 g·L-1铁氰化钾、2.883 g·L-1磷酸二氢钾、6.571 g·L-1磷酸氢二钾)．MFC在(25.0 ± 0.1) ℃下运行, 输出电压U由研华USB-4716数据采集仪每分钟采集1次．当U超过100.0 mV时, 微生物可在碳刷表面富集形成挂膜．U经过峰值降低到20.0 mV时为1个运行周期, 在每周期末更换接种污泥及电解液, 约3个周期后系统的输出电压稳定,电池启动成功[6]．然后加入不同浓度的亚砷酸钠溶液, As(Ⅲ)含量为0.00, 0.02, 0.04 g·L-1时的MFC反应器分别记为MFC-0, MFC-1, MFC-2． 另采集开路条件下MFC-1的污染物样品进行对比实验, 记为开路MFC-1．每日采集1 mL阳极室溶液经0.22 μm的微孔滤头过滤后进行分析测定．

图1 双室MFC反应器构造示意图Fig.1 Schematic diagram of dual-chamber MFC reactor

1.2 分析和计算方法

1) 电化学分析．电流密度及功率密度计算公式为: ①I=U/R, 式中I为电流,U为电压,R为电阻．②J=I/VNCC, 式中J为电流密度,VNCC为阳极室净容积(4.0×10-4m3)． ③P=U2/(R×VNCC), 式中P为功率密度．内阻采用功率密度峰值法和极化曲线法测定[7]．

2) 砷浓度测定．采用高效液相色谱-氢化物发生-原子荧光光谱仪(SAP-10, 北京吉天环保设备有限公司)测定As(Ⅲ), As(V)的浓度, 色谱柱为Hamilton PRP X-100阴离子交换柱, 流动相为15.0 mmol·L-1的(NH4)2HPO4, 用体积分数为10%的甲酸调节pH约为5, 柱温为30.0 ℃, 流速为1.0 mL·min-1．还原剂为20.0 g·L-1硼氢化钾和5.0 g·L-1氢氧化钾, 流速为4.0 mL·min-1．载流溶液为体积分数为7%的盐酸, 流速为7.0 mL·min-1．As(Ⅲ)的去除率αAs(Ⅲ)=(C0-Ci)/C0×100%, 式中C0,Ci分别为原配水样和运行周期末取样的As(Ⅲ)浓度, mg·L-1．

3) COD含量测定．使用COD快速消解仪(AC-100, 厦门欣锐公司)采用重铬酸钾加热回流法进行测定, COD去除率χCOD=(Cin—Cout)/Cin×100%, 式中Cin和Cout分别为反应前后阳极水样的COD浓度, mg·L-1．

4) DNA测定与高通量测序分析[8]．生物膜样品采用Illumina MiSeq测序平台进行分析, DNA通过Omega E.Z.N.ATM Mag-Bind Soid DNA Kit (Norcross公司)试剂盒进行提取, 采用聚合酶链式反应(PCR)扩增, 引物341F序列为CCTACGGGNGGCWGCAG,805R序列为GACTACHVGGGTATCTAATCC．PCR反应条件为: 94 ℃预变性5.0 min; 94 ℃变性30 s, 55 ℃退火30 s, 72 ℃延伸45 s, 共35个循环; 72 ℃ 延伸10.0 min结束．利用Qubit 2.0 DNA试剂盒检测DNA含量．通过上海生工生物工程股份有限公司进行16S rRNA 宏基因组测序．

2 结果与讨论

2.1 产电性能

图2 MFC在不同As(Ⅲ)初始浓度下的产电特性Fig.2 Electricity generation characteristics of MFC at different initial concentrations of As(Ⅲ)

图2为MFC在不同As(Ⅲ)初始浓度下的产电特性．如图2(a)所示, 3组输出电压曲线都呈先稳定上升后下降的趋势, MFC-0, MFC-1, MFC-2的最大电压分别为639.2, 669.7, 518.6 mV, 表明As(Ⅲ)浓度对微生物的产电活性具有一定的影响．此外, MFC-2电压周期比MFC-1的长．原因可能是更多的As(Ⅲ)在微生物作用下发生氧化反应生成As(V), 电子总数增加, 因此电压周期更长．由图3(b)可见, MFC-0、MFC-1、MFC-2最大电流密度分别为7.858 9, 7.013 0, 3.992 0 A·m-3, As(Ⅲ)浓度越高, 其对应的电流密度越小．由图3(c)可知, 功率密度值达最大值后受欧姆损失影响, 功率密度逐渐下降, MFC-0、MFC-1、MFC-2的最大功率密度值分别为2.020 1, 1.368 6, 0.638 5 W·m-3, 由欧姆定律得出对应的内阻值分别为199.0, 176.9, 498.9 Ω．在MFC系统中, As(Ⅲ)浓度越低的阳极室微生物受抑制程度越小, MFC的活化损失(内阻)越低, 体系所产生电能越大, 功率密度越高．MFC-2的阳极微生物受As(Ⅲ)抑制程度较高, 微生物将乙酸钠的化学能转化为电能的效率降低, 最大功率密度较低．

2.2 除As(Ⅲ)效果

开路和闭路两种情况下, 阳极室中COD和As(Ⅲ)去除率的变化情况如图3所示．由图3可知, 运行3 d后, MFC-1中COD去除率达75.75%, As(Ⅲ)的去除率达86.85%; 而开路MFC-1中COD去除率为70.04%, As(Ⅲ)去除率仅为25.13%．前者的As(Ⅲ)去除率是后者的3.46倍．说明在电化学作用下, 微生物对As(Ⅲ)的去除效果明显增强．图3是开路和闭路条件下阳极室中As(Ⅲ), As(V)的浓度变化结果．如图3所示, MFC-1中的As(V)浓度随着As(Ⅲ)浓度的减少而稳定增加, 而开路MFC-1中则未检测到As(V)的存在．说明在MFC系统中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, 在电化学作用下As(Ⅲ)被微生物氧化为As(V), 从而实现As(Ⅲ)的氧化解毒．而在开路条件下, As(Ⅲ)的去除可能主要依靠污泥吸附和微生物的富集,而不是通过氧化反应生成As(V)．

图3 开路和闭路条件下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

图4 开路和闭路条件下MFC中As(Ⅲ)、As(V)浓度的变化Fig.4 Changes in concentration of As(Ⅲ) and As(V) in MFC under open and closed circuit conditions

2.3 微生物优势种群分析

表1是对各反应器阳极碳刷样本的α多样性指数统计．由表1可知, 样本有效序列均大于20 000条,有效OTU数目共计16 412条,覆盖率均超过0.91, 说明该结果可以反映样本物种的真实情况．对于Chao1和ACE指数, MFC-1和MFC-2均低于MFC-0, 说明加入As(Ⅲ)时,阳极菌群物种发生变化使丰富度降低．

微生物群落的组成结构如表2所示．对比活性污泥和其他不同浓度As(Ⅲ)的MFC样品可知, 在MFC运行过程中,微生物群落中的物种会向特定功能群落演化,MFC生物膜在驯化过程中对微生物进行淘汰和选择．MFC-1中主要包含6种优势微生物种群: 变形菌门(Proteabacteria)、长绳菌属(Longilinea)、不动杆菌属(Acinetobacter)、梭状芽孢杆菌(Clostridiumsensustricto)、绿弯菌门(Chloroflexi)和拟杆菌门(Firmicutes),相对丰度分别为55.0%,14.8%,14.7%,7.9%,7.3%,4.5%．Longilinea可代谢多种碳水化合物,生成有机酸、脂肪酸和有机酸氧化,分解结构顽固化合物;Clostridiumsensustricto是严格的厌氧芽胞杆菌,可代谢多种碳水化合物;Firmicutes能够利用电子介体进行胞外电子转移;Proteabacteria与As(Ⅲ)氧化细菌密切相关[9], 对As(Ⅲ)具有一定的氧化转化作用[10], 这与本研究发现的MFC-1中Proteabacteria比例较高的结果相一致．

表1 微生物群落多样性统计Tab.1 Microbial community richness and diversity statistics of different samples

表2 微生物群落的组成结构Tab.2 Composition of microbial communities %