2019-03-15
正 文
进入2019，派森诺生物好消息不断！合作研究成果相继登陆《The ISME Journal》、《Environment International》之后，近期再度携手暨南大学，在《Water Research》（影响因子7.051）上再次发表论文，利用高通量测序技术，探究人工湿地—微生物燃料电池去除废水多环芳烃的微观机制。
研究背景
多环芳烃（PAHs）经常出现在水生环境中，如地表水和地下水、污水处理厂的污水中，不仅严重危害自然环境，而且对植物、动物和人类具有致畸性、毒性、致癌性和致突变性，近些年来受到了广泛关注。常规的处理方法，如挥发、化学氧化和光氧化等不符合自然条件下的环境保护要求，并且同一组的不同同源物的多环芳烃可以相互作用，从而降低其去除效率。因此，开发有效的方法来控制水生环境中的PAHs污染是环境保护的重要问题。
人工湿地—微生物燃料电池（CW-MFC）利用自然过程产生生物电并提高受控环境中污染物的去除效率，被认为是一种低成本、易于维护和环保的废水处理的技术，目前对于CW-MFC去除多环芳烃的研究还很少。本研究选择菲和蒽为目标多环芳烃，对CW-MFC中的菲和蒽的生物电生成、生物降解、植物提取和底物吸附进行了研究，并且对阳极电极使用或不使用生物炭nZVI进行了研究。
研究目的
1、研究CW-MFC中的菲和蒽的生物电生成、生物降解、植物提取和底物吸附；
2、研究阳极电极使用或不使用生物炭nZVI的影响。
研究方法
CW-MFC反应器搭建：
CW-MFC的主体由聚氯乙烯罐（高度52cm，内径16cm）构成。选择泡沫镍（FN），用nZVI（FN-nZVI）修正的泡沫镍，碳纤维毡（CFF），用nZVI（CFF-nZVI）修正的碳纤维毡作为阳极材料，阴极材料与相应的阳极相似。如图1a为FN和CFF阳极材料，图1b为FN-nZVI和CFF-nZVI阳极材料。每个电极的直径为10cm，重量为3.2g，电极的距离为35cm。装置内部均匀的填充石英砂，CW-MFC接种了2.0L活性污泥（从上海松江地区的污水处理厂收集，用自来水稀释），将东方香蒲（T. orientalis）分别种植到CW-MFCs中，初始密度为每单位6株植物。
图1：CW-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-V5区测序
实验设计
在实验结束时收集阳极的生物膜样品，将所有样品置于锥形瓶中，然后以200 rpm离心约12分钟。
研究结果
1、污染物去除和生物电生成
（1）微生物活性和阳极材料的修正对污染物去除和生物电生成的影响
图2中的数据显示了采用FN，FN-nZVI，CFF或CFF-nZVI作为阳极的CW-MFC反应器的流出物温度，COD去除性能和电压输出。可以看出，从夏季到冬季的温度下降直接影响生物能源的生产和污染物去除，这是由于夏季微生物种群的酶活性高于冬季。此外，使用nZVI对环境条件如pH和ORP有影响，这些条件调节电化学微生物的代谢活性和厌氧硝化反应。据报道，nZVI有利于产生乙酸的酶的活性，将nZVI引入反应器中可以加快阳极周围产生易于使用的代谢底物。因此，微生物活性和阳极材料的修正是影响污染物去除效率和生物电生成性能的关键因素。
图2：反应器的流出物温度、COD去除效率和输出电压
（2）加入nZVI的阳极材料提高了CW-MFC系统的功率密度
夏季和冬季四个反应器的功率密度和电流密度的极化曲线如图3所示。夏季，四个CW-MFC反应器的最大功率和电流密度遵循以下顺序：FN <FN-nZVI <CFF <CFF-nZVI。在冬季与以前的研究相似，最大功率和电流密度随着温度的降低而降低。夏季CW-MFC的最高功率密度一般比冬季高21.6%至29.8%。此外，四个反应器的库仑效率分别为0.3%，0.3%，0.4%和0.4%。可以看出，加入nZVI的阳极材料提高了CW-MFC系统的功率密度。
图3：功率密度和电流密度的极化曲线
2、菲和蒽的降解途径
（1）CW-MFC中菲和蒽的生物降解，植物提取和底物吸附情况
如图4所示，阳极材料加入nZVI的反应器中菲和蒽的去除效率更高，经过182天反应之后，叶片中的菲和蒽的浓度低于茎和根中的浓度。
图4：反应器中菲和蒽的去除效率
（2）CW-MFC中NH3-N去除效率
阳极材料加入nZVI的反应器中NH3-N的去除效率更高。线性回归分析结果表明，如果流出物的浓度范围为0.3至1.2 mgL-1，则NH3-N去除效率会提高。
图5：反应器中NH3-N的去除效率
3、CW-MFC中的菌群多样
（1）CW-MFC中的菌群结构
从纲水平来看，相比于FN和CFF反应器，阳极材料加入nZVI的反应器中Bacteroidia，Bacilli，Actinobacteria 和Deltaproteobacteria的相对丰度增加，如图6所示。其中Bacilli 在有氧条件下产生过氧化氢酶，该酶参与芳香化合物的生物降解。
图6：CW-MFC中的菌群多样性
（2）CW-MFC中的菌群聚类效果
图7的菌群聚类组成热图显示，FN和FN-nZVI反应器中的菌群相似度比较高，而CFF-nZVI反应器中Bacilli，Paludibacter，Desulfovibrio 和Lactococcus 等电化学活性菌群的丰度明显升高。
图7：菌群聚类组成热图
结 论
在本研究中，我们采用FN，FN-nZVI，CFF或CFF-nZVI作为CW-MFC反应器的阳极，将菲和蒽作为多环芳烃类污染物的模型化合物，研究了它们的降解途径。研究表明，人工湿地—微生物燃料电池可以去除88.5%~96.4%的菲和蒽，并且使用加入nZVI的阳极材料使得污染物的去除效果更好。从微观角度我们发现，电化学活性微生物在去除这些化合物中起重要作用。
本研究的测序和部分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
Junfeng W , Xinshan S, Qusheng L , et al. Bioenergy generation and degradation pathway of phenanthrene and anthracene in a constructed wetland-microbial fuel cell with an anode amended with nZVI[J]. Water Research, 2019:340-348.
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135418310042
