2018-12-27
最近，派森诺生物与华东师范大学合作，在《Electrochimica Acta》（影响因子5.116）上再次发表文章，利用高通量测序技术，从宏观和微观方面，探究电和生物膜对3D-BER去除RhB的协同效应。
研究背景
罗丹明（Rhodamine，RhB），又名若丹明或玫瑰红，是一系列相关的萤光酮杂环化合物，可用作染料。含有RhB的染料废水是一种严重影响环境的污染物，它会刺激皮肤，眼睛和呼吸道，甚至会致癌。染料废水的净化技术（如吸附、酶促氧化处理、磁分离、生物处理等技术）得到了研究人员深入研究，但是这些技术由于成本高、效率低等原因未能达到很好的效果。3D-BER（三维生物膜电极反应器）整合了生物膜和电化学技术，可以有效降解染料废水中的污染物，近年来受到了研究人员的广泛关注。
3D-BER的核心单元为电极和生物膜载体，去除污染物的反应主要发生在粒子电极上。目前对于3D-BER的研究大多停留在废水处理的效率上，但是对于污染物去除的微观机制研究很少。因此，本文将研究电和生物膜对宏观和微观方面3D-BER去除RhB的协同效应。
研究目的
1、研究3D-BER去除染料废水中RhB的效果；
2、揭示3D-BER处理染料废水时对生物膜的微生物多样性组成的影响。
研究方法
3D-BER搭建
3D-BER的主体由矩形聚丙烯罐（200*100*90 mm）构成，有效工作体积为1.5 L。将位于罐中部的Ti / RuO2-IrO2电极（100*90*2 mm）设置为阳极，将两个尺寸相同的不锈钢板放在槽的两侧作为阴极。阳极和阴极垂直放置、彼此平行，电极间间隙为100mm。粒子电极为碳和沸石的混合物，粒子电极填充在阳极和阴极之间。
图1：3D-BER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 V4区测序
实验设计：装置运行一段时间后，从每个3D-BER中取两个的粒子电极，对其表面生物膜进行测序。分组方式如表1所示。
表1：分组及处理方式
组名 | 取样部位 |
R1-G | 碳 |
R1-Z | 沸石 |
R3-G | 碳 |
R3-Z | 沸石 |
R4-G | 碳 |
R4-Z | 沸石 |
HRT（水力停留时间）和培养电压对3D-BER中RhB去除的影响
当HRT较短时（HRT=12h），电压对脱色效率的影响不显著。随着HRT的增加，脱色效率持续提高，电压对脱色效率的影响也越显著。当HRT=24h，电压为9V的R4的脱色效率明显高于其他3个装置。如图2（a）所示。HRT和电压强度对TOC（总有机碳）的去除效率的影响与脱色效率一致。如图2（b）所示。HRT和电压强度对TN（总氮）的去除效率的影响与以上不同，在HRT=12h，装置对TN的去除效率随着操作时间增加而下降，如图2（c）所示。
图2：脱色效率和TOC、TN去除效率的曲线
运行时长对3D-BER中RhB去除的影响
由于粒子电极的吸附和电吸附的作用，在最初的0.5小时，3D-BER中RhB去除的效率最大。如图3所示。
图3：RhB浓度变化曲线
粒子电极上的生物膜
▶ 通过SEM（扫描电子显微镜）观察粒子电极上的生物膜形态
本研究中将GAC和沸石混合在一起作为粒子电极，观察发现两种材料都被生物膜覆盖。如图4所示。
图4：附着在不同粒子电极上的生物膜的显微照片
▶ 通过CLSM（共聚焦激光扫描显微镜）观察粒子电极上的生物膜分布
用荧光染料标记生物膜的四种组分，包括核酸、蛋白质、多糖和脂质。 GAC上的生物膜显示出点状分布，如图5（a），沸石表面的生物膜均匀分布，如图5（b）。
（a） GAC上的生物膜CLSM图像
（b） GAC上的生物膜CLSM图像
图5：粒子电极上的生物膜CLSM图像
▶ 定量粒子电极上的总微生物
分别收集GAC和沸石表面的微生物并对这些微生物平板计数，结果表明随着电压升高，微生物总量减少。如图6所示。
图6：不同电压下GAC和沸石表面的微生物量
3D-BER中粒子电极上的微生物群落
▶ 物种丰富性和多样性降低
在该系统中，随着电压的升高，微生物的丰富度指数和多样性指数显著降低，OTU总数也显著减少，如表2所示。这表明，无论材料（GAC或沸石）如何，电压的形成都会导致粒子电极上微生物群落的物种丰富度和多样性显著降低。
表2：粒子电极上微生物的丰富度和多样性指数
▶ 电压促进或抑制微生物的生长
电压的增加促使Proteobacteria 门的相对丰度升高，揭示了高压刺激了Proteobacteria 的生长。相反，Bacteroidetes，Planctomycetes 和Acidobacteria 门的相对丰度随着电压的增加而降低，表明这些细菌群体的生长受到高压的抑制。如图7所示。
图7：粒子电极表面不同微生物的相对丰度
▶ 电压促进与RhB降解有关的物种丰度的增加
由热图可见，Rhodanobacter 的相对丰度在R3（电压6V）中显著增加。Rhodanobacter 是能够有效降解多种多环芳烃（PAHs）的物种，这些多环芳烃是降解RhB的中间产物。
图8：菌群聚类组成热图
结 论
本文研究了电和生物膜对3D-BER中去除RhB的协同效应。从宏观方面看，施加电压促进了RhB在3D-BER中的降解。从微观方面看，施加电压抑制了粒子电极上某些微生物生长，但Rhodanobacter 和Thiomonas 这两种与RhB降解相关的微生物却显著富集。综上所述，该研究阐明了电和生物膜对染料废水中的RhB去除都具有重要作用。
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
Lei F , Xiu-Yan L , Li-Hong G , et al. Synergistic effects of electricity and biofilm on Rhodamine B (RhB) degradation in three-dimensional biofilm electrode reactors (3D-BERs)[J]. Electrochimica Acta, 2018:165-175.
