趙慧敏，李曉玲，趙劍強(qiáng)（長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 70054；菏澤學(xué)院化學(xué)化工系，山東 菏澤 7405）

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微生物燃料電池在污水生物脫氮中的研究進(jìn)展

趙慧敏1，2，李曉玲1，趙劍強(qiáng)1
（1長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2菏澤學(xué)院化學(xué)化工系，山東 菏澤 274015）

摘要：微生物燃料電池（MFC）是一種新型污水處理技術(shù)，其在處理污水的同時(shí)能產(chǎn)生電能，引起眾多研究者的關(guān)注。將MFC應(yīng)用于含氮污水的處理中便形成了反硝化或同步硝化反硝化MFC系統(tǒng)。本文回顧了MFC生物脫氮的發(fā)展歷程，并從MFC實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)造（空間構(gòu)型、電極材料、分隔材料）、影響因素（含氮污染物濃度、水力停留時(shí)間、溶解氧、碳源與碳氮比、溫度、pH值、外電阻）和反硝化細(xì)菌的基因表達(dá)與多樣性等3個(gè)方面進(jìn)行了綜述與分析，提出需要從以下方面進(jìn)行MFC生物脫氮效能的強(qiáng)化：開發(fā)具有強(qiáng)電子傳輸能力和氨氧化催化功能的廉價(jià)高效電極材料，優(yōu)化MFC脫氮的運(yùn)行條件和探索不同環(huán)境下的脫氮機(jī)理，通過研究MFC陰極微生物種群構(gòu)成篩選培育優(yōu)勢(shì)反硝化功能菌。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；污水處理；生物脫氮；反硝化；催化；厭氧

第一作者及聯(lián)系人：趙慧敏（1978—），女，博士研究生，講師，主要從事水污染控制工程研究。E-mail zhmthreesister@163.com。聯(lián)系人：趙劍強(qiáng)，教授，博士生導(dǎo)師，從事水污染控制工程研究。

微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC） 能夠?qū)a(chǎn)電和去除污染物同時(shí)進(jìn)行，被認(rèn)為是一種清潔的、綠色的、可持續(xù)發(fā)展的新型技術(shù)。MFC技術(shù)利用微生物作催化劑將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，相對(duì)于高能耗、高成本的傳統(tǒng)污水處理方式具有較大的經(jīng)濟(jì)潛力[1]。目前，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在MFC的構(gòu)型操作、生物菌群、電化學(xué)特性等方面。已有MFC投入到生產(chǎn)應(yīng)用上的實(shí)例，如遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)器、對(duì)水體進(jìn)行毒性檢測(cè)、篩選菌株或者通過電化學(xué)過程回收如氨、金屬離子等有用物質(zhì)[2]。但是，MFC的能量回收較低以及昂貴的質(zhì)子膜和電極材料等，已成為它擴(kuò)大化運(yùn)行的發(fā)展障礙。

近年來，將MFC技術(shù)與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相結(jié)合引起了更多人的關(guān)注。對(duì)MFC處理污水方面的研究大都集中在陽(yáng)極降解各種有機(jī)物，如高濃度垃圾滲濾液、石油化工廢水等；而對(duì)于在陰極降解含氮污染物如處理含硝酸鹽、硝基苯和偶氮染料等方面的研究還不是很深入[3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的污水脫氮方法，MFC具有的優(yōu)勢(shì)就是降低了對(duì)碳源的需求[4]，為處理低碳氮比污水提供了一條途徑。因此，基于對(duì)MFC在污水脫氮方面存在的潛在優(yōu)勢(shì)，如催化生物氨氧化過程、未知的生物電化學(xué)脫氮機(jī)理、培養(yǎng)異養(yǎng)硝化菌、不同外環(huán)境下優(yōu)勢(shì)菌種的培養(yǎng)與鑒別等，本文從MFC的構(gòu)型設(shè)計(jì)、操作運(yùn)行條件和反硝化菌群等方面進(jìn)行了綜述，提出了今后研究的方向，以期對(duì)MFC技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

1　MFC生物脫氮的基本原理

MFC是在厭氧或微氧條件下通過反硝化細(xì)菌完成氮去除。PARK等[5]首先檢測(cè)到在生物膜電極上硝酸鹽由微生物作用下接收從陰極電極產(chǎn)生的電子被還原為氮?dú)狻OLMES等[6]發(fā)現(xiàn)沉積在MFC陰極中的微生物參與了氨氧化和反硝化等反應(yīng)，證明了陰極氮循環(huán)的存在。接著PUIG等[7]通過構(gòu)建雙室MFC證實(shí)了從MFC中富集的微生物可以在無碳源的條件下直接將NO3?還原為NO2?。隨后程建萍等[8]以硝酸鹽溶液為陰極電子受體在陰極室接種純反硝化單菌株構(gòu)成生物陰極MFC，平均反硝化速率為2.19mg/(L?d)，并證明了MFC陰極溶液中確實(shí)存在進(jìn)行微生物與電極間傳遞電子的氧化還原介體質(zhì)。

MFC處理含氮污水的脫氮反應(yīng)目前仍然是基于傳統(tǒng)的生物脫氮原理，即陽(yáng)極室微生物催化氧化有機(jī)物產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子被陽(yáng)極捕集并通過外電路轉(zhuǎn)移到陰極，質(zhì)子通過離子交換膜從陽(yáng)極室遷移到陰極室，在陰極室中利用微生物作為催化劑使陰極室硝酸鹽接受目的。陽(yáng)極和陰極反應(yīng)式如式(1)～式(5)[9]。

式中，E0為標(biāo)準(zhǔn)條件下相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極（SHE）的氧化還原電位。

從上述反應(yīng)式可以看出：反硝化利用陰極電極作為電子受體，可將硝酸鹽經(jīng)歷四步還原成氮?dú)猓?mol氮需要5mol 電子。在MFC反硝化進(jìn)行生物脫氮的反應(yīng)過程中，氮的去除不再像傳統(tǒng)生物脫氮工藝那樣受到碳源的限制，理論上解決了傳統(tǒng)硝化反硝化工藝中存在的有機(jī)物對(duì)硝化過程的制約和反硝化對(duì)碳源的需求問題，這一點(diǎn)被認(rèn)為是生物陰極MFC在脫氮方面的優(yōu)勢(shì)所在。但是，基于這一優(yōu)勢(shì)的MFC陰極反硝化微生物的培養(yǎng)需要的時(shí)間很長(zhǎng)，相關(guān)報(bào)道有180天和240天的連續(xù)培養(yǎng)需求[10-11]。已有研究表明以α-變形菌綱脫氮副球菌YF1（Parococcus sp.）構(gòu)建的純種生物陰極MFC可將硝態(tài)氮直接還原為N2[12]。另有研究表明雙室MFC反亞硝化陰極在嚴(yán)格控制氧氣進(jìn)入的情況下存在著亞硝態(tài)氮被快速氧化為硝態(tài)氮的現(xiàn)象[13]。綜合以上可見，MFC的脫氮過程也可能存在有別于傳統(tǒng)硝化反硝化機(jī)理的未知的一些化學(xué)反應(yīng)，有待進(jìn)一步的研究。

2　構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)MFC生物脫氮的影響

MFC設(shè)計(jì)構(gòu)造的差異影響著電子、質(zhì)子的遷移速率，從而影響著反應(yīng)器的脫氮效率。研究人員結(jié)合MFC和傳統(tǒng)生物脫氮反應(yīng)器的構(gòu)造，已研發(fā)出多種MFC脫氮工藝，均實(shí)現(xiàn)了脫氮產(chǎn)電的雙重功效。

2.1空間構(gòu)型

MFC基本結(jié)構(gòu)分為單室、雙室和多室型。單室MFC利用空氣陰極生物膜進(jìn)行硝化，氮去除率的提高是通過增大空氣陰極的面積來增大空氣滲透率[14]。據(jù)報(bào)道，當(dāng)以硝酸鹽作電子受體構(gòu)建單室MFC，NO3?-N去除率可達(dá)30.35mg/(m3?d)[15]。而單室MFC中有4mg/L的硝酸鹽時(shí)對(duì)其功率密度和庫(kù)侖效率產(chǎn)生了負(fù)面的影響[16-17]，這是由于單室MFC中生物反硝化過程與電子的傳遞過程存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，即單室型MFC由于硝酸鹽競(jìng)爭(zhēng)電子供體會(huì)導(dǎo)致其輸出功率較低。

雙室MFC由厭氧的陰極室和陽(yáng)極室組成，硝酸鹽在陰極接受由陽(yáng)極傳遞的電子進(jìn)行電極反硝化去除。CLAUWAERT等[11]采用除碳和反硝化單元分開的雙室MFC，每天可去除約0.146kg/m3硝酸鹽。VIRDIS等[10]設(shè)計(jì)了一種環(huán)形雙室MFC進(jìn)行同時(shí)硝化-電極反硝化，每天約2kg/m3COD和0.41kg/m3硝酸鹽得到去除。

為了進(jìn)一步提高M(jìn)FC生物脫氮效果。XIE等[18]通過好氧生物陰極MFC和厭氧生物陰極MFC耦合系統(tǒng)，污水中NH4+-N和總N去除率分別達(dá)到97.4％ 和97.3％。ZHANG等[19]把XIE等構(gòu)建的系統(tǒng)簡(jiǎn)化為雙陰極MFC，在陽(yáng)極兩側(cè)各加一個(gè)好氧和厭氧陰極室，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這個(gè)復(fù)合多室系統(tǒng)的總N去除率開始下降，只處理了污水中76％的氮。LEE等[20]構(gòu)建雙陰極MFC分別處理氨氮和硝態(tài)氮，兩氮的去除率分別達(dá)97.9％和 89.9％。以上研究說明工藝復(fù)雜的多室型MFC系統(tǒng)運(yùn)行不太穩(wěn)定，雖然脫氮效果較好，但所需的經(jīng)濟(jì)成本卻較雙室型MFC增加。因此，選擇雙室型MFC可能仍是實(shí)現(xiàn)污水處理和能源回收的較好模式，但單室MFC可能更有助于MFC脫氮技術(shù)的工程應(yīng)用。

2.2電極材料

電極作為電子傳遞導(dǎo)體是影響MFC性能的關(guān)鍵因素，目前在研究中多采用多孔碳基材料以及納米碳材料[21]，其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、不易腐蝕、高比表面積和高孔隙率、適合微生物生長(zhǎng)、成本低等特性。但碳材料脆性較大，易增加電極的歐姆損失形成較高電阻率，導(dǎo)致直接使用效果不佳。為獲取最大輸出功率，提高M(jìn)FC除污產(chǎn)電性能，人們對(duì)電極材料做了很多改性和優(yōu)化的研究，使用催化劑能降低活化能和增強(qiáng)反應(yīng)速率[22]，有效提高M(jìn)FC陰極性能及脫氮效果。FANG等[23]以硝酸鹽作為陰極電子受體，發(fā)現(xiàn)使用負(fù)載鉑（Pt）催化劑的碳陰極能明顯提高脫氮速率和輸出功率密度。當(dāng)鉑金作為電極材料時(shí)易形成PtO層，這可干擾反硝化過程，鉑昂貴的價(jià)格也限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。白立俊等[24]開始采用熱處理法制備M-N-C（M=Fe，Co）材料作為MFC陰極催化劑，結(jié)果表明比用Pt/C作催化劑MFC的功率密度又提高了10％。

為了更有效地降低經(jīng)濟(jì)成本，謝倍珍等[25]以涂布聚四氟乙烯的廉價(jià)碳紙構(gòu)建生物陰極MFC，在1 h內(nèi)NO3–-N去除率就達(dá)到80％，且產(chǎn)電更穩(wěn)定。但在MFC反應(yīng)過程中加入催化劑或中間體易使陰極室發(fā)生重金屬中毒現(xiàn)象，造成環(huán)境的二次污染。由于中性紅能夠在電極表面形成一層性能穩(wěn)定并對(duì)生物分子有較強(qiáng)的電催化作用復(fù)合膜，采用中性紅修飾的碳?xì)蛛姌O的電化學(xué)反應(yīng)可能對(duì)氨氧化過程具有催化作用[26]。試驗(yàn)研究具有強(qiáng)電子傳輸能力及氨氧化或硝酸鹽還原催化功能的廉價(jià)高效電極材料仍然是今后的研發(fā)方向。

2.3分隔材料

分隔材料需要具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，包括質(zhì)子交換膜、鹽橋、玻璃珠、玻璃纖維等。鹽橋、玻璃珠、玻璃纖維等分隔方式因大幅度提高電池內(nèi)阻，降低了MFC產(chǎn)電特性，已逐漸被棄用。質(zhì)子交換膜產(chǎn)生的內(nèi)阻較小[27]，在MFC中應(yīng)用廣泛。有實(shí)驗(yàn)證明質(zhì)子交換膜厚度越薄，對(duì)質(zhì)子的傳遞效果越好，MFC脫氮產(chǎn)電的效率越高[28]?，F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室多用美國(guó)杜邦公司Nafion質(zhì)子交換膜，其價(jià)格昂貴，不利于MFC技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。

也有人選擇一些價(jià)廉的離子交換膜[29]，但這種膜在液體中易變形或者彎曲，從而造成阻力，使質(zhì)子從陽(yáng)極室到陰極室傳輸速率減緩，這將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能，在大尺度的MFC裝置中易導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生較大的變化。最近開發(fā)出了一種陶瓷型陽(yáng)離子交換膜[30]，價(jià)格較為低廉，且具有高效離子選擇性、高機(jī)械強(qiáng)度和持久耐用性，有望未來應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

3　操作運(yùn)行條件對(duì)MFC生物脫氮的影響

MFC生物脫氮的效果除了受到設(shè)計(jì)構(gòu)造等自身因素影響外，還會(huì)受到諸如含氮污染物濃度與水力停留時(shí)間（HRT）、溶解氧（DO）、碳源與碳氮比（C/N）、溫度、外電阻和pH值等各因素的影響。在處理含氮污水時(shí)需根據(jù)污水性質(zhì)來優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，使MFC脫氮產(chǎn)電的性能最佳。

3.1含氮污染物濃度與水力停留時(shí)間

在MFC中能量的產(chǎn)生和底物濃度有直接關(guān)系，但底物濃度過高時(shí)，產(chǎn)電能力便會(huì)下將。適當(dāng)提高含氮污染物的濃度可增強(qiáng)微生物活性，強(qiáng)化MFC的脫氮能力。當(dāng)污水中含氮污染物在20～120mg/L從低濃度逐步升高時(shí)，MFC反硝化脫氮效率隨之相應(yīng)升高[31-32]。有研究表明，含氮污染物如NO3?-N濃度在99.2mg/L時(shí)最適宜MFC反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)[33]。當(dāng)含氮污染物濃度超過2000mg/L時(shí)會(huì)抑制MFC的反硝化速率和產(chǎn)電性能，降低了MFC的脫氮能力；MFC反硝化在NO3?-N高于4000mg/L時(shí)被完全抑制[34]。

適當(dāng)延長(zhǎng)HRT有利于提高硝酸鹽的降解率[35]，但隨著HRT的延長(zhǎng)，污水中NH4+-N去除率會(huì)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)[36]，即HRT過長(zhǎng)會(huì)使反應(yīng)器處理能力過剩，消耗更多能量，增加運(yùn)行成本。有研究表明HRT為12h時(shí)，MFC處理污水效果較好，硝酸鹽去除率達(dá)90％以上[37]。

3.2溶解氧

溶解氧（DO）控制著MFC脫氮和產(chǎn)電之間的電子分配。在較小電流密度區(qū)域內(nèi)，氧是陰極主要電子受體，而當(dāng)電流密度增加到一定程度后，硝酸鹽逐步變?yōu)殛帢O的主要電子受體。說明兩者之間存在著一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[38]。

一般認(rèn)為當(dāng)DO濃度低于1mg/L時(shí)，厭氧反硝化菌才具有反硝化活性。YU等[39]對(duì)MFC脫氮工藝研究發(fā)現(xiàn)陰極室DO濃度為2mg/L時(shí)氮去除率低于20％；DO濃度為0.5mg/L時(shí)氮去除率上升到52％。而當(dāng)DO濃度高達(dá)7.8mg/L時(shí)，MFC的NO3?-N去除率僅為7.8％[40]。說明高DO濃度會(huì)抑制陰極反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致硝酸鹽的積累。維持較低的DO濃度有助于MFC提高污水處理脫氮的潛力。

3.3碳源與碳氮比

MFC的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)就是能夠在污水脫氮過程中減少對(duì)有機(jī)碳源的依賴。具有脫氮功能的MFC陰極室多為自養(yǎng)反硝化菌，所需電子可從陰極電極直接得到，不需要額外添加更多的有機(jī)碳源。POUS 等[41]在MFC處理無有機(jī)碳源地下水時(shí)，硝酸鹽去除負(fù)荷達(dá)到4.09mg/(L?h)。

碳氮比（C/N）通過控制電子的供應(yīng)影響MFC的反硝化率。當(dāng)C/N為2時(shí)MFC脫氮效果最佳，C/N升高到3時(shí)反硝化速率開始下降[42]。有研究發(fā)現(xiàn)C/N低至1.88 時(shí)，氮的去除率也能夠達(dá)到76.8％[43]。說明只要滿足陰極反應(yīng)底物所需反硝化的電子數(shù)，盡可能低的C/N可能更有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。本文作者課題組初步研究發(fā)現(xiàn)陰極亞硝化反硝化MFC可以實(shí)現(xiàn)好氧反硝化菌的富集，好氧反硝化在DO為3mg/L、外阻為50? 時(shí)可以達(dá)到15mg/(L?d)的亞硝酸鹽氮去除，為研究好氧反硝化菌提供了一個(gè)新的途徑。

3.4溫度

溫度可以對(duì)MFC產(chǎn)生直接影響。當(dāng)反應(yīng)溫度從32℃降到20℃時(shí)，MFC輸出功率降低了9％[44]。而溫度升高時(shí)，增強(qiáng)了MFC電子、質(zhì)子的傳遞能力，提高了傳遞效率。有研究[45]發(fā)現(xiàn)MFC在35℃時(shí)得到最大總氮去除負(fù)荷(47±3)g/(m3?d)。

反硝化細(xì)菌的最適生長(zhǎng)溫度在30℃左右[46]，溫度過高又會(huì)影響微生物菌群數(shù)量的增長(zhǎng)，并不利于MFC脫氮產(chǎn)電性能的提高。另外，車軒等[47]對(duì)脫氮硫桿菌Thiobacillus denitrificans研究發(fā)現(xiàn)該菌株最適反硝化溫度為32.8℃，高于其自身生長(zhǎng)最適溫度29.5℃。這說明可能對(duì)某一種反硝化細(xì)菌來說，其最適生長(zhǎng)溫度與最適反硝化溫度不一致。不同的溫度區(qū)間存在適宜該溫度區(qū)間的不同菌群，相關(guān)的研究還遠(yuǎn)不足于揭示客觀存在。

3.5pH值

pH值是影響MFC產(chǎn)電性能的一個(gè)重要參數(shù)，直接影響微生物的新陳代謝活性，從而影響電子和質(zhì)子產(chǎn)生機(jī)制。在MFC運(yùn)行過程中陽(yáng)極室（酸化）和陰極室（堿化）間會(huì)產(chǎn)生一定的pH值梯度，而中性條件下硝酸鹽降解效率更高[48]。通常添加碳酸或磷酸緩沖溶液維持陰極室pH值穩(wěn)定，CLAUWAERT等[11]通過連續(xù)中和陰極室pH值明顯提高了反硝化速率，維持pH值為7.2時(shí)，脫氮速率由先前的0.18kg/(m3?d)升到最高值0.5kg/(m?d)。賈璐維等[49]發(fā)現(xiàn)曝氣陰極氧氣得電子獲得較高pH值有利于亞硝化反應(yīng)器的啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)MFC陰極同步短程硝化反硝化。另外，MFC硝化過程中釋放出的質(zhì)子也可以起到對(duì)pH值的緩沖作用[18]。

3.6外電阻

外電阻主要影響MFC的電子傳遞和陽(yáng)極電位。加大外電阻能夠改變電子傳遞的分配比，使大部分的電子消耗在外電路的輸送過程中，含氮污染物去除率明顯降低[50]。而降低外電阻有利于增強(qiáng)電流密度和提高M(jìn)FC陰極脫氮效果。ZHANG等[19]將雙室MFC的外電阻由712?減小到10?，總氮去除率由51.9％ 升高到68.0％。當(dāng)外電阻從50?降到5?時(shí)MFC系統(tǒng)中硝酸鹽去除速率由0.26mg/(L?h)上升到0.76mg/(L?h)[32]，表明較低的外電阻更易使電子供體被氧化，更多的電子傳遞到陰極，MFC得到了較高的反硝化速率。

以上影響因素中，含氮污染物濃度、水力停留時(shí)間、碳源與碳氮比（C/N）等與MFC所處理的含氮污水性質(zhì)密切相關(guān)。在MFC處理污水時(shí)，需要針對(duì)所需處理污水的不同性質(zhì)來選擇合適的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。而溶解氧濃度、溫度、pH值與外電阻等環(huán)境條件可根據(jù)MFC處理污水時(shí)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，來維持MFC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如MFC反應(yīng)底物為硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制陰極室為厭氧或者缺氧狀態(tài)，確保反硝化反應(yīng)進(jìn)行。

4　MFC生物脫氮的反硝化細(xì)菌

生物陰極是實(shí)現(xiàn)MFC脫氮的主要場(chǎng)合。陰極上的硝化、反硝化微生物具有多樣性，既有自養(yǎng)硝化菌、異養(yǎng)硝化菌、異養(yǎng)反硝化菌、好氧反硝化菌，也有食物鏈上的其他菌群。反硝化細(xì)菌還原硝酸鹽的過程主要是酶催化反應(yīng)。參與反硝化反應(yīng)催化酶由幾種特定基因來編碼，這些編碼反硝化過程相關(guān)酶的功能基因通常被用作研究反硝化細(xì)菌的靶序列（見表1），其中反硝化功能團(tuán)中nirS在陰極的生物膜上直接影響到N2O的排放[56]。但對(duì)于MFC反硝化生物脫氮工藝來說，單一反硝化細(xì)菌不能產(chǎn)生反硝化過程所需的所有酶，有可能需要組合成反硝化菌群共同作用來完成整個(gè)反應(yīng)過程。

與傳統(tǒng)反硝化需要異養(yǎng)反硝化菌不同，實(shí)現(xiàn)MFC陰極反硝化既有自養(yǎng)反硝化菌也有異養(yǎng)反硝化菌，其從陰極電極接收電子被還原。如PUIG 等[7]就在自養(yǎng)反硝化菌群中發(fā)現(xiàn)Oligotropha carboxidovoran占主體，該菌種屬γ-變形菌綱亞硝化單孢菌屬。而王清萍等[12]以α-變形菌綱脫氮副球菌YF1（Parococcus sp.）（異養(yǎng)菌）構(gòu)建純種生物陰極MFC進(jìn)行脫氮研究，結(jié)果表明YF1可將硝酸根直接還原為N2，脫氮率高達(dá)100％。GREGORY 等[57]最早證實(shí)了MFC中純菌種地桿菌Geobacter可通過陰極電極接收電子將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽，其他學(xué)者從混合培養(yǎng)菌群Geobacter metallireducens也得到了相似的結(jié)果[21，58]。有多項(xiàng)研究證實(shí)，MFC中反硝化細(xì)菌一般屬于變形菌門Proteobacteria[59-61]。對(duì)MFC中微生物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)變形菌門亞硝酸細(xì)菌Nitrosomonas能夠氧化銨離子到亞硝態(tài)氮進(jìn)而還原亞硝態(tài)氮為NO[62]。對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的MFC中的菌群進(jìn)行富集培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)反硝化菌群由最初的β-變形菌綱Betaproteobacteria逐漸馴化演變?yōu)棣?變形菌綱Gammaproteobacteria[63]。

陰極反硝化MFC的微生物群落構(gòu)成具有很大程度的生物多樣性，這些種群之間有可能呈互營(yíng)共生關(guān)系，使得分離鑒定的難度增大?；旌暇嚎赡苁筂FC獲得更高的產(chǎn)電效率，但由于混合菌群培養(yǎng)的不確定性易導(dǎo)致MFC系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。富集培養(yǎng)分析鑒別混合菌群中不同菌種的脫氮產(chǎn)電能力，篩選MFC優(yōu)勢(shì)反硝化細(xì)菌，尋找能夠有效處理含氮污水的功能菌群組合，具有廣闊的研究前景。

5　結(jié)語

近幾年，在實(shí)驗(yàn)室中關(guān)于MFC脫氮產(chǎn)電的研究取得了一定的成功，然而經(jīng)濟(jì)成本高、輸出功率低、脫氮效率差和系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等因素限制了MFC技術(shù)的發(fā)展。因此，今后需要對(duì)MFC設(shè)計(jì)構(gòu)造、電極材料、影響因素及功能菌群等進(jìn)行更深入系統(tǒng)地研究，以推動(dòng)MFC技術(shù)的不斷進(jìn)步。建議從以下幾個(gè)方面開展深入研究。

表1　反硝化細(xì)菌的功能基因表達(dá)

（1）探索具有強(qiáng)電子傳輸能力和氨氧化催化功能的廉價(jià)高效電極材料，如納米碳材料和過渡金屬的絡(luò)合物、中性紅修飾石墨碳?xì)譃樯镙d體的陰極電極材料，為諸如人工濕地等需要提高污水脫氮性能的工藝提供強(qiáng)化生物脫氮效率新途徑。

（2）重視影響MFC生物脫氮的各種環(huán)境因素，如溶解氧濃度、pH值、溫度及碳氮比等，探討不同環(huán)境條件下MFC的脫氮效果、適用條件及脫氮機(jī)理。

（3）結(jié)合MFC試驗(yàn)研究溫室氣體N2O的產(chǎn)生和釋放特性，探討N2O的產(chǎn)生機(jī)理及減少N2O排放的控制措施。

（4）深入研究MFC陰極硝化反硝化微生物的種群構(gòu)成、代謝過程和生物電化學(xué)反應(yīng)，分離篩選一批可富集培養(yǎng)、脫氮產(chǎn)電效率高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)功能菌。

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Research progress of biological nitrogen removal by microbial fuel cell

ZHAO Huimin1，2，LI Xiaoling1，ZHAO Jianqiang1
（1School of Environmental Science and Engineering，Chang’an University，Xi’an 710054，Shaanxi，China；2Department of Chemistry and Chemical Engineering，Heze University，Heze 274015，Shandong，China）

Abstract：Microbial fuel cell (MFC) is a new technology for wastewater treatment while generating electricity simultaneously. Applying MFC to nitrogen removal makes the system denitrification MFC or simultaneous nitrification and denitrification (SND) MFC. This paper firstly gave an introduction on the development of biological denitrification in MFC system. Then we analyzed factors influencing MFC nitrogen removal efficiency. The analysis was mainly focused on the MFC configuration (space configuration，electrode materials，separation materials)，the operation conditions (nitrogen components concentrations，HRT，dissolved oxygen，carbon source and C/N ratio，temperature，pH，external resistance)，as well as the gene expression and diversity of denitrifying bacteria in systems. Finally，suggestions were proposed as following：developing high economic and efficient electrode materials with strong electron transfer ability and ammonia oxidation catalytic function，optimizing the operation conditions of the MFC denitrification systems and analyzing nitrogen removal mechanism，and screening efficient denitrification bacteria through the analysis of microbial community structure in MFC denitrification systems.

Key words：microbial fuel cell (MFC); wastewater treatment; biological nitrogen removal; denitrification; catalysis; anaerobic

中圖分類號(hào)：X 703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）04–1216–07

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.040

收稿日期：2015-10-23；修改稿日期：2015-12-20。

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)安大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2013G3292017）及陜西省科技發(fā)展計(jì)劃（2014K15-03-02）項(xiàng)目。