2019-03-15
正 文
進入2019，派森諾生物好消息不斷！合作研究成果相繼登陸《The ISME Journal》、《Environment International》之后，近期再度攜手暨南大學，在《Water Research》（影響因子7.051）上再次發表論文，利用高通量測序技術，探究人工濕地—微生物燃料電池去除廢水多環芳烴的微觀機制。
研究背景
多環芳烴（PAHs）經常出現在水生環境中，如地表水和地下水、污水處理廠的污水中，不僅嚴重危害自然環境，而且對植物、動物和人類具有致畸性、毒性、致癌性和致突變性，近些年來受到了廣泛關注。常規的處理方法，如揮發、化學氧化和光氧化等不符合自然條件下的環境保護要求，并且同一組的不同同源物的多環芳烴可以相互作用，從而降低其去除效率。因此，開發有效的方法來控制水生環境中的PAHs污染是環境保護的重要問題。
人工濕地—微生物燃料電池（CW-MFC）利用自然過程產生生物電并提高受控環境中污染物的去除效率，被認為是一種低成本、易于維護和環保的廢水處理的技術，目前對于CW-MFC去除多環芳烴的研究還很少。本研究選擇菲和蒽為目標多環芳烴，對CW-MFC中的菲和蒽的生物電生成、生物降解、植物提取和底物吸附進行了研究，并且對陽極電極使用或不使用生物炭nZVI進行了研究。
研究目的
1、研究CW-MFC中的菲和蒽的生物電生成、生物降解、植物提取和底物吸附；
2、研究陽極電極使用或不使用生物炭nZVI的影響。
研究方法
CW-MFC反應器搭建：
CW-MFC的主體由聚氯乙烯罐（高度52cm，內徑16cm）構成。選擇泡沫鎳（FN），用nZVI（FN-nZVI）修正的泡沫鎳，碳纖維氈（CFF），用nZVI（CFF-nZVI）修正的碳纖維氈作為陽極材料，陰極材料與相應的陽極相似。如圖1a為FN和CFF陽極材料，圖1b為FN-nZVI和CFF-nZVI陽極材料。每個電極的直徑為10cm，重量為3.2g，電極的距離為35cm。裝置內部均勻的填充石英砂，CW-MFC接種了2.0L活性污泥（從上海松江地區的污水處理廠收集，用自來水稀釋），將東方香蒲（T. orientalis）分別種植到CW-MFCs中，初始密度為每單位6株植物。
圖1：CW-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-V5區測序
?實驗設計
在實驗結束時收集陽極的生物膜樣品，將所有樣品置于錐形瓶中，然后以200 rpm離心約12分鐘。
研究結果
1、污染物去除和生物電生成
（1）微生物活性和陽極材料的修正對污染物去除和生物電生成的影響
圖2中的數據顯示了采用FN，FN-nZVI，CFF或CFF-nZVI作為陽極的CW-MFC反應器的流出物溫度，COD去除性能和電壓輸出。可以看出，從夏季到冬季的溫度下降直接影響生物能源的生產和污染物去除，這是由于夏季微生物種群的酶活性高于冬季。此外，使用nZVI對環境條件如pH和ORP有影響，這些條件調節電化學微生物的代謝活性和厭氧硝化反應。據報道，nZVI有利于產生乙酸的酶的活性，將nZVI引入反應器中可以加快陽極周圍產生易于使用的代謝底物。因此，微生物活性和陽極材料的修正是影響污染物去除效率和生物電生成性能的關鍵因素。
圖2：反應器的流出物溫度、COD去除效率和輸出電壓
（2）加入nZVI的陽極材料提高了CW-MFC系統的功率密度
夏季和冬季四個反應器的功率密度和電流密度的極化曲線如圖3所示。夏季，四個CW-MFC反應器的最大功率和電流密度遵循以下順序：FN <FN-nZVI <CFF <CFF-nZVI。在冬季與以前的研究相似，最大功率和電流密度隨著溫度的降低而降低。夏季CW-MFC的最高功率密度一般比冬季高21.6%至29.8%。此外，四個反應器的庫侖效率分別為0.3%，0.3%，0.4%和0.4%。可以看出，加入nZVI的陽極材料提高了CW-MFC系統的功率密度。
圖3：功率密度和電流密度的極化曲線
2、菲和蒽的降解途徑
（1）CW-MFC中菲和蒽的生物降解，植物提取和底物吸附情況
如圖4所示，陽極材料加入nZVI的反應器中菲和蒽的去除效率更高，經過182天反應之后，葉片中的菲和蒽的濃度低于莖和根中的濃度。
圖4：反應器中菲和蒽的去除效率
（2）CW-MFC中NH3-N去除效率
陽極材料加入nZVI的反應器中NH3-N的去除效率更高。線性回歸分析結果表明，如果流出物的濃度范圍為0.3至1.2 mgL-1，則NH3-N去除效率會提高。
圖5：反應器中NH3-N的去除效率
3、CW-MFC中的菌群多樣
（1）CW-MFC中的菌群結構
從綱水平來看，相比于FN和CFF反應器，陽極材料加入nZVI的反應器中Bacteroidia，Bacilli，Actinobacteria 和Deltaproteobacteria的相對豐度增加，如圖6所示。其中Bacilli 在有氧條件下產生過氧化氫酶，該酶參與芳香化合物的生物降解。
圖6：CW-MFC中的菌群多樣性
（2）CW-MFC中的菌群聚類效果
圖7的菌群聚類組成熱圖顯示，FN和FN-nZVI反應器中的菌群相似度比較高，而CFF-nZVI反應器中Bacilli，Paludibacter，Desulfovibrio 和Lactococcus 等電化學活性菌群的豐度明顯升高。
圖7：菌群聚類組成熱圖
結 論
在本研究中，我們采用FN，FN-nZVI，CFF或CFF-nZVI作為CW-MFC反應器的陽極，將菲和蒽作為多環芳烴類污染物的模型化合物，研究了它們的降解途徑。研究表明，人工濕地—微生物燃料電池可以去除88.5%~96.4%的菲和蒽，并且使用加入nZVI的陽極材料使得污染物的去除效果更好。從微觀角度我們發現，電化學活性微生物在去除這些化合物中起重要作用。
本研究的測序和部分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
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.
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135418310042
