2018-11-30
正文
最近，派森諾生物與浙江大學合作，在《Chemical Engineering Journal》（影響因子6.735）上再次發表文章，利用高通量測序技術，探究不同硝酸鹽濃度對微生物燃料電池產電性能及污染物去除的影響機理。
研究背景
微生物燃料電池（MFC）是一種使用細菌作為催化劑將廢水的化學能轉化為電能的裝置。在陽極處，細菌氧化有機物并產生電子，在陰極處，各種電子受體接受通過外部電路轉移的電子。通過上述反應可以從廢水中回收能量同時去除污染物，因此在當前的能源危機中，這種新技術受到了廣泛關注。
硝酸鹽是廢水處理中常見的污染物之一，硝酸鹽可以還原為氮，因此它可以用作MFC中陰極的潛在電子受體。已有一些文獻報道了雙室MFC利用含有硝酸鹽的廢水實現脫氮和發電。但是雙室MFC的電力輸出很低，且需要高成本的離子交換膜，增加了廢水處理的總成本。單室無膜MFC可能更適合將MFC技術應用于廢水處理。因此，本文將研究硝酸鹽濃度對單室空氣陰極MFC發電的影響。
研究目的
1、評估硝酸鹽對單室MFC發電的影響；
2、揭示和硝酸鹽對單室MFC中外生和非外生細菌的影響。
研究方法
單室MFC搭建：
單室MFC的主體為長4cm直徑3cm的圓柱形有機玻璃容器，采用聚四氟乙烯為粘合劑。陽極由碳刷（長25毫米，直徑25毫米）制成，空氣陰極采用鎳泡沫作為集電器，活性炭為催化劑。MFC在外部電阻為1000Ω的情況下，以分批補料模式運行。反應器的培養液采用接種液和合成廢水1:1的比例混合制成。接種液來自單室空氣陰極MFC陽極的流出物和活性微生物的混合物。合成廢水由醋酸鈉，磷酸鹽緩沖溶液，微量礦物質和維生素組成。整個裝置如圖1所示。
圖1 單室空氣陰極MFC的示意圖
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V4區測序
實驗設計：將MFC中加入含有不同濃度硝酸鹽的合成廢水，硝酸鉀用作合成廢水中的硝酸鹽源。分組方式如表1所示。
表1 分組及處理方式
硝酸鹽濃度 | |
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 |
研究結果
1. 硝酸鹽濃度對電壓的影響
在醋酸鈉濃度為1 g L-1時，當硝酸鹽的初始濃度不高于400 mg L-1時，循環前的3個小時內，在電壓增加階段出現300-400 mV的超高電壓平臺。如圖2中的黑框所示。
圖2 整個周期中的電壓曲線
2. 硝酸鹽濃度對發電效率的影響
（1）硝酸鹽濃度對CE（庫侖效率）的影響
當醋酸鈉濃度為1 g L-1時，在外部電阻1000Ω和500Ω時，隨著硝酸鹽初始濃度的增加，MFC的CE先增大后減小，最大值出現在在硝酸鹽濃度為400 mg L-1時。在外部電阻300Ω和100Ω時，MFC的CE首先保持穩定然后降低，如圖3A所示。當醋酸鈉濃度增加到1.8 g L-1時，隨著硝酸鹽初始濃度的增加，MFC的CE一般先增加后保持不變或減少，硝酸鹽濃度為500 mg L-1時出現最大值，如圖3B所示。
圖3 MFC在不同硝酸鹽濃度和不同電阻下的庫侖效率
（2）剩余硝酸鹽濃度對COD（化學需氧量）去除率的影響
當培養基中存在硝酸鹽時，COD濃度的下降趨勢與硝酸鹽濃度的下降趨勢一致，如圖4所示。在脫氮階段，除去通過發電去除的COD，剩余的COD隨著去除的硝酸鹽的增加而近似線性增加，如圖5所示。
圖4 MFC在不同硝酸鹽濃度下的COD去除率
圖5 MFC中剩余COD和去除的硝酸濃度的關系示意圖
（3）硝酸鹽濃度對CCE（校正庫侖效率）的影響
當外部電阻為100Ω且rCOD（剩余COD）濃度大致相等時，MFC的CCE先隨著硝酸鹽初始濃度的增加而增加，當硝酸鹽初始濃度達到500mg L-1之后保持穩定。如圖6所示。
圖6 MFC的CCE在不同的rCOD濃度下的變化
（4）初始硝酸鹽濃度對MFC的持續時間的影響
不同組別的MFC的COD濃度之間沒有顯著差異，因此，在相同的rCOD濃度下，隨著硝酸鹽的初始濃度增加反硝化階段之后COD去除速率的降低，使得MFC的持續時間延長。
（5）硝酸鹽對反硝化階段MPD（最大功率密度）的影響
反硝化階段后MFC的MPD隨時間逐漸降低，但與硝酸鹽初始濃度無關。與最初用不含硝酸鹽的合成廢水進料的MFC的MPD相比，在660天運行后MFC的MPD降低不超過4 W m-3（約14%-16%）。
3. 硝酸鹽初始濃度對陽極微生物群落的影響
在該系統中，反硝化細菌和產電細菌是陽極上的主要功能細菌。隨著硝酸鹽初始濃度的增加，反硝化細菌的比例增加，而產電細菌的比例減少，如表2所示。Chao1指數，ACE指數和Shannon指數先上升然后下降，而Simpson指數先下降然后上升，如表3所示。這表明陽極微生物群落的豐富性和多樣性都隨著硝酸鹽初始濃度的增加而增加。
表2 MFC陽極上主要功能細菌的相對豐度
表3 MFC陽極上微生物群落的Alpha多樣性指數
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 |
結論
本文研究了硝酸鹽對單室空氣陰極MFC發電的影響。在單室空氣陰極MFC中，硝酸鹽對發電的影響由反硝化去除的COD、非外源性細菌去除的COD這兩個因素決定。Thauera和Geobacter分別是MFC陽極上反硝化細菌和產電細菌的主要屬。隨著硝酸鹽初始濃度的增加，反硝化細菌的比例增加，而外電生菌的比例減少。使用足夠量的底物，反硝化階段后MFC的MPD不受硝酸鹽的影響。660天運行期間的平均MPD范圍為27.4±0.9至28.4±1.2 W m-3，表明脫氮后外源性細菌的活性不受影響，并證明了外源性細菌和反硝化細菌共存的可行性。
本研究的測序和數據分析工作由上海派森諾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.
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894717322726
