2018-12-27
最近，派森諾生物與華東師范大學合作，在《Electrochimica Acta》（影響因子5.116）上再次發表文章，利用高通量測序技術，從宏觀和微觀方面，探究電和生物膜對3D-BER去除RhB的協同效應。
研究背景
羅丹明（Rhodamine，RhB），又名若丹明或玫瑰紅，是一系列相關的螢光酮雜環化合物，可用作染料。含有RhB的染料廢水是一種嚴重影響環境的污染物，它會刺激皮膚，眼睛和呼吸道，甚至會致癌。染料廢水的凈化技術（如吸附、酶促氧化處理、磁分離、生物處理等技術）得到了研究人員深入研究，但是這些技術由于成本高、效率低等原因未能達到很好的效果。3D-BER（三維生物膜電極反應器）整合了生物膜和電化學技術，可以有效降解染料廢水中的污染物，近年來受到了研究人員的廣泛關注。
3D-BER的核心單元為電極和生物膜載體，去除污染物的反應主要發生在粒子電極上。目前對于3D-BER的研究大多停留在廢水處理的效率上，但是對于污染物去除的微觀機制研究很少。因此，本文將研究電和生物膜對宏觀和微觀方面3D-BER去除RhB的協同效應。
研究目的
1、研究3D-BER去除染料廢水中RhB的效果；
2、揭示3D-BER處理染料廢水時對生物膜的微生物多樣性組成的影響。?
研究方法
3D-BER搭建
3D-BER的主體由矩形聚丙烯罐（200*100*90 mm）構成，有效工作體積為1.5 L。將位于罐中部的Ti / RuO2-IrO2電極（100*90*2 mm）設置為陽極，將兩個尺寸相同的不銹鋼板放在槽的兩側作為陰極。陽極和陰極垂直放置、彼此平行，電極間間隙為100mm。粒子電極為碳和沸石的混合物，粒子電極填充在陽極和陰極之間。
圖1：3D-BER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 V4區測序
實驗設計：裝置運行一段時間后，從每個3D-BER中取兩個的粒子電極，對其表面生物膜進行測序。分組方式如表1所示。?
表1：分組及處理方式
組名 | 取樣部位 |
R1-G | 碳 |
R1-Z | 沸石 |
R3-G | 碳 |
R3-Z | 沸石 |
R4-G | 碳 |
R4-Z | 沸石 |
HRT（水力停留時間）和培養電壓對3D-BER中RhB去除的影響
當HRT較短時（HRT=12h），電壓對脫色效率的影響不顯著。隨著HRT的增加，脫色效率持續提高，電壓對脫色效率的影響也越顯著。當HRT=24h，電壓為9V的R4的脫色效率明顯高于其他3個裝置。如圖2（a）所示。HRT和電壓強度對TOC（總有機碳）的去除效率的影響與脫色效率一致。如圖2（b）所示。HRT和電壓強度對TN（總氮）的去除效率的影響與以上不同，在HRT=12h，裝置對TN的去除效率隨著操作時間增加而下降，如圖2（c）所示。
圖2：脫色效率和TOC、TN去除效率的曲線
運行時長對3D-BER中RhB去除的影響
由于粒子電極的吸附和電吸附的作用，在最初的0.5小時，3D-BER中RhB去除的效率最大。如圖3所示。
圖3：RhB濃度變化曲線
粒子電極上的生物膜
? 通過SEM（掃描電子顯微鏡）觀察粒子電極上的生物膜形態
本研究中將GAC和沸石混合在一起作為粒子電極，觀察發現兩種材料都被生物膜覆蓋。如圖4所示。
圖4：附著在不同粒子電極上的生物膜的顯微照片
? 通過CLSM（共聚焦激光掃描顯微鏡）觀察粒子電極上的生物膜分布
用熒光染料標記生物膜的四種組分，包括核酸、蛋白質、多糖和脂質。 GAC上的生物膜顯示出點狀分布，如圖5（a），沸石表面的生物膜均勻分布，如圖5（b）。
（a） GAC上的生物膜CLSM圖像
（b） GAC上的生物膜CLSM圖像
圖5：粒子電極上的生物膜CLSM圖像
? 定量粒子電極上的總微生物
分別收集GAC和沸石表面的微生物并對這些微生物平板計數，結果表明隨著電壓升高，微生物總量減少。如圖6所示。
圖6：不同電壓下GAC和沸石表面的微生物量
3D-BER中粒子電極上的微生物群落
? 物種豐富性和多樣性降低
在該系統中，隨著電壓的升高，微生物的豐富度指數和多樣性指數顯著降低，OTU總數也顯著減少，如表2所示。這表明，無論材料（GAC或沸石）如何，電壓的形成都會導致粒子電極上微生物群落的物種豐富度和多樣性顯著降低。
表2：粒子電極上微生物的豐富度和多樣性指數
? 電壓促進或抑制微生物的生長
電壓的增加促使Proteobacteria 門的相對豐度升高，揭示了高壓刺激了Proteobacteria 的生長。相反，Bacteroidetes，Planctomycetes 和Acidobacteria 門的相對豐度隨著電壓的增加而降低，表明這些細菌群體的生長受到高壓的抑制。如圖7所示。
圖7：粒子電極表面不同微生物的相對豐度
? 電壓促進與RhB降解有關的物種豐度的增加
由熱圖可見，Rhodanobacter 的相對豐度在R3（電壓6V）中顯著增加。Rhodanobacter 是能夠有效降解多種多環芳烴（PAHs）的物種，這些多環芳烴是降解RhB的中間產物。
圖8：菌群聚類組成熱圖
結 論
本文研究了電和生物膜對3D-BER中去除RhB的協同效應。從宏觀方面看，施加電壓促進了RhB在3D-BER中的降解。從微觀方面看，施加電壓抑制了粒子電極上某些微生物生長，但Rhodanobacter 和Thiomonas 這兩種與RhB降解相關的微生物卻顯著富集。綜上所述，該研究闡明了電和生物膜對染料廢水中的RhB去除都具有重要作用。
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
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.
