2018-11-30
正文
最近，派森诺生物与浙江大学合作，在《Chemical Engineering Journal》（影响因子6.735）上再次发表文章，利用高通量测序技术，探究不同硝酸盐浓度对微生物燃料电池产电性能及污染物去除的影响机理。
研究背景
微生物燃料电池（MFC）是一种使用细菌作为催化剂将废水的化学能转化为电能的装置。在阳极处，细菌氧化有机物并产生电子，在阴极处，各种电子受体接受通过外部电路转移的电子。通过上述反应可以从废水中回收能量同时去除污染物，因此在当前的能源危机中，这种新技术受到了广泛关注。
硝酸盐是废水处理中常见的污染物之一，硝酸盐可以还原为氮，因此它可以用作MFC中阴极的潜在电子受体。已有一些文献报道了双室MFC利用含有硝酸盐的废水实现脱氮和发电。但是双室MFC的电力输出很低，且需要高成本的离子交换膜，增加了废水处理的总成本。单室无膜MFC可能更适合将MFC技术应用于废水处理。因此，本文将研究硝酸盐浓度对单室空气阴极MFC发电的影响。
研究目的
1、评估硝酸盐对单室MFC发电的影响；
2、揭示和硝酸盐对单室MFC中外生和非外生细菌的影响。
研究方法
单室MFC搭建：
单室MFC的主体为长4cm直径3cm的圆柱形有机玻璃容器，采用聚四氟乙烯为粘合剂。阳极由碳刷（长25毫米，直径25毫米）制成，空气阴极采用镍泡沫作为集电器，活性炭为催化剂。MFC在外部电阻为1000Ω的情况下，以分批补料模式运行。反应器的培养液采用接种液和合成废水1:1的比例混合制成。接种液来自单室空气阴极MFC阳极的流出物和活性微生物的混合物。合成废水由醋酸钠，磷酸盐缓冲溶液，微量矿物质和维生素组成。整个装置如图1所示。
图1 单室空气阴极MFC的示意图
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V4区测序
实验设计：将MFC中加入含有不同浓度硝酸盐的合成废水，硝酸钾用作合成废水中的硝酸盐源。分组方式如表1所示。
表1 分组及处理方式
硝酸盐浓度 | |
N-0 | 0 mg L−1 |
N-50 | 50 mg L−1 |
N-100 | 100 mg L−1 |
N-200 | 200 mg L−1 |
N-400 | 400 mg L−1 |
N-500 | 500 mg L−1 |
N-800 | 800 mg L−1 |
研究结果
1. 硝酸盐浓度对电压的影响
在醋酸钠浓度为1 g L-1时，当硝酸盐的初始浓度不高于400 mg L-1时，循环前的3个小时内，在电压增加阶段出现300-400 mV的超高电压平台。如图2中的黑框所示。
图2 整个周期中的电压曲线
2. 硝酸盐浓度对发电效率的影响
（1）硝酸盐浓度对CE（库仑效率）的影响
当醋酸钠浓度为1 g L-1时，在外部电阻1000Ω和500Ω时，随着硝酸盐初始浓度的增加，MFC的CE先增大后减小，最大值出现在在硝酸盐浓度为400 mg L-1时。在外部电阻300Ω和100Ω时，MFC的CE首先保持稳定然后降低，如图3A所示。当醋酸钠浓度增加到1.8 g L-1时，随着硝酸盐初始浓度的增加，MFC的CE一般先增加后保持不变或减少，硝酸盐浓度为500 mg L-1时出现最大值，如图3B所示。
图3 MFC在不同硝酸盐浓度和不同电阻下的库仑效率
（2）剩余硝酸盐浓度对COD（化学需氧量）去除率的影响
当培养基中存在硝酸盐时，COD浓度的下降趋势与硝酸盐浓度的下降趋势一致，如图4所示。在脱氮阶段，除去通过发电去除的COD，剩余的COD随着去除的硝酸盐的增加而近似线性增加，如图5所示。
图4 MFC在不同硝酸盐浓度下的COD去除率
图5 MFC中剩余COD和去除的硝酸浓度的关系示意图
（3）硝酸盐浓度对CCE（校正库仑效率）的影响
当外部电阻为100Ω且rCOD（剩余COD）浓度大致相等时，MFC的CCE先随着硝酸盐初始浓度的增加而增加，当硝酸盐初始浓度达到500mg L-1之后保持稳定。如图6所示。
图6 MFC的CCE在不同的rCOD浓度下的变化
（4）初始硝酸盐浓度对MFC的持续时间的影响
不同组别的MFC的COD浓度之间没有显著差异，因此，在相同的rCOD浓度下，随着硝酸盐的初始浓度增加反硝化阶段之后COD去除速率的降低，使得MFC的持续时间延长。
（5）硝酸盐对反硝化阶段MPD（最大功率密度）的影响
反硝化阶段后MFC的MPD随时间逐渐降低，但与硝酸盐初始浓度无关。与最初用不含硝酸盐的合成废水进料的MFC的MPD相比，在660天运行后MFC的MPD降低不超过4 W m-3（约14%-16%）。
3. 硝酸盐初始浓度对阳极微生物群落的影响
在该系统中，反硝化细菌和产电细菌是阳极上的主要功能细菌。随着硝酸盐初始浓度的增加，反硝化细菌的比例增加，而产电细菌的比例减少，如表2所示。Chao1指数，ACE指数和Shannon指数先上升然后下降，而Simpson指数先下降然后上升，如表3所示。这表明阳极微生物群落的丰富性和多样性都随着硝酸盐初始浓度的增加而增加。
表2 MFC阳极上主要功能细菌的相对丰度
表3 MFC阳极上微生物群落的Alpha多样性指数
Groups | Chao1 | Ace | Simpson | Shannon | Coverage |
N-0 | 3359.082 | 5707.276 | 0.135 | 3.214 | 0.975 |
N-200 | 3748.378 | 6220.316 | 0.079 | 3.508 | 0.972 |
N-500 | 2799.054 | 5085.556 | 0.170 | 3.001 | 0.975 |
N-800 | 1088.267 | 1900.992 | 0.242 | 2.530 | 0.983 |
结论
本文研究了硝酸盐对单室空气阴极MFC发电的影响。在单室空气阴极MFC中，硝酸盐对发电的影响由反硝化去除的COD、非外源性细菌去除的COD这两个因素决定。Thauera和Geobacter分别是MFC阳极上反硝化细菌和产电细菌的主要属。随着硝酸盐初始浓度的增加，反硝化细菌的比例增加，而外电生菌的比例减少。使用足够量的底物，反硝化阶段后MFC的MPD不受硝酸盐的影响。660天运行期间的平均MPD范围为27.4±0.9至28.4±1.2 W m-3，表明脱氮后外源性细菌的活性不受影响，并证明了外源性细菌和反硝化细菌共存的可行性。
本研究的测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
文章索引：
Huang H, Cheng S, Yang J, et al. Effect of nitrate on electricity generation in single-chamber air cathode microbial fuel cells[J]. Chemical Engineering Journal, 2017,337:661-670.
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894717322726
