王 輝 李 蕾 曹 羨 方 舟 李先寧

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)

土壤微生物燃料電池在不同條件下的產(chǎn)電性能及微生物群落結(jié)構(gòu)分析

王 輝 李 蕾 曹 羨 方 舟 李先寧

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)

通過構(gòu)建一種新型的無膜單室土壤微生物燃料電池(MFC),考察了電極間距和外接電阻對土壤MFC產(chǎn)電性能的影響,并對陽極微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.研究結(jié)果表明,電極間距和外接電阻對土壤MFC的輸出電壓和最大功率密度有顯著的影響.當(dāng)間距從4 cm增大到12 cm時(shí),土壤MFC的輸出電壓、最大功率密度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢;陰極淹沒在1 cm水層以下時(shí),其輸出電壓顯著降低至30 mV左右,最大功率密度為4.67 mW/m2;外接電阻從300 Ω增大到2 000 Ω時(shí),土壤MFC的輸出電壓從80 mV增大到了330 mV,最大功率密度從14.33 mW/m2增大到了60.40 mW/m2.電極間距的增加或外接電阻的增大對陽極電勢有顯著影響,而陰極電勢并沒有發(fā)生差異性變化.通過高通量測序分析發(fā)現(xiàn),土壤MFC和開路對照組中的陽極微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異.產(chǎn)電菌Deltaproteobacteria,Desulfuromonadales和Geobacteraceae在土壤MFC中是優(yōu)勢種群,其中Deltaproteobacteria的相對豐度高達(dá)24.91%,Desulfuromonadales和Geobacteraceae的相對豐度也遠(yuǎn)高于開路對照組.

微生物燃料電池;電極間距;外接電阻;微生物群落結(jié)構(gòu)

微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC)是利用微生物催化氧化有機(jī)物、無機(jī)物等物質(zhì),產(chǎn)生電能的一種裝置[1].利用MFC降解各種污染物的研究也越來越受到研究者的關(guān)注[2-5].土壤中蘊(yùn)含的微生物種類繁多,數(shù)量龐大,如Geobacter,Shewanella,Pseudomonas等,這些微生物可以向細(xì)胞外直接轉(zhuǎn)移電子[6-7],將MFC應(yīng)用到土壤或沉積物中,形成土壤MFC或沉積物MFC(SMFC).在土壤MFC或SMFC中,陽極氧化葡萄糖、乙酸鹽等物質(zhì),生成電子、質(zhì)子等;在陰極,氧作為最終電子受體,獲得外電路從陽極傳導(dǎo)而來的電子,同時(shí)與質(zhì)子生成水,從而獲得電能[6, 8-9].

MFC不僅可以降解簡單有機(jī)物,也可以降解混合有機(jī)底物和難降解有機(jī)物,同時(shí)獲取電能[10-11].研究結(jié)果表明,MFC對多環(huán)芳香烴(PAHs)、抗生素、石油烴等多種難降解有機(jī)廢水具有良好的去除效能[2, 12-13].已有研究表明MFC的性能取決于很多方面的因素,如溶解氧[14]、電極間距[15]、共基質(zhì)種類[16]和濃度[17]、溫度[18]等.陰極較好的溶解氧、陽極嚴(yán)格的厭氧環(huán)境和較小的陰陽極間距都有利于提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能和有機(jī)底物的去除.Hamdan等[2]等成功構(gòu)建了SMFC,其最高輸出電壓和最高功率密度可達(dá)570 mV.Dunaj等[8]發(fā)現(xiàn)MFC利用農(nóng)田土壤有機(jī)物作為產(chǎn)電菌底物時(shí),其能量輸出比利用森林土壤高17倍.然而,目前關(guān)于電極間距和外阻對土壤MFC產(chǎn)電性能以及土壤MFC微生物種群結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究相對較少.

本文構(gòu)建了一種新型的單室無膜土壤MFC,研究電極間距和外接電阻對土壤MFC產(chǎn)電性能的影響,利用高通量測序?qū)ν寥繫FC陽極的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析,為在土壤中構(gòu)建MFC選擇構(gòu)型提供一定的理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 土壤MFC的構(gòu)建

土壤MFC構(gòu)建裝置示意圖如圖1所示.裝置材料采用玻璃圓柱(φ35 mm×150 mm),由下到上為緩沖土層(10 mm)、土壤MFC陽極層(15 mm)、土壤層(厚度由電極間距決定)、土壤MFC空氣陰極層(15 mm).土壤MFC的陰陽極電極材料均為活性炭(粒徑為3～5 mm,比表面積為500～900 m2/g),活性炭層包埋碳?xì)植⒕赦亴?dǎo)線(直徑為0.8 mm)引出,外電路由銅導(dǎo)線連接一定阻值的電阻形成閉合回路,并采用環(huán)氧樹脂將暴露于土壤中的金屬部分密封,防止金屬與土壤溶液接觸發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致短路.

土壤采集于江蘇南京長江流域,剔除樹枝、石子等雜物,風(fēng)干后過2 mm篩,室溫保存.土壤pH為7.91,有機(jī)碳、全氮、全磷含量分別為(3.71±0.14),(0.20±0.08),(0.42±0.18)g/kg.在搭建土壤MFC中,向陽極活性炭中加入12 mL經(jīng)培養(yǎng)及預(yù)處理的濃縮厭氧污泥(MLSS約為50 g/L),同時(shí)向土壤中投加一定量含有乙酸鈉的營養(yǎng)液[19](見表1),直至土壤處于飽和水狀態(tài).

圖1 土壤MFC原理示意圖

大量元素營養(yǎng)物質(zhì)濃度/(mg·L-1)微量元素營養(yǎng)物質(zhì)濃度/(mg·L-1)NH4Cl310MgSO4·7H2O200KCl130CaCl215NaH2PO44970FeCl3·6H2O1Na2HPO42750MnSO4·H2O28(NH4)2SO4560CoC12·6H2O0.24Na2MO4·2H2O0.04

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文中的實(shí)驗(yàn)為2部分:① 電極間距實(shí)驗(yàn). 電極間距分別為4,6,8,10,12 cm,外接電阻為1 000 Ω;同時(shí)為了研究陰極淹水對土壤MFC產(chǎn)電性能的影響,設(shè)置了電極間距為4 cm并向陰極層加1 cm水層的土壤MFC,該組實(shí)驗(yàn)標(biāo)記為4W,共計(jì)6組實(shí)驗(yàn).② 外接電阻實(shí)驗(yàn).外接電阻分別為300,620,1 000,2 000 Ω,設(shè)置開路為對照組,電極間距為10 cm,共計(jì)5組實(shí)驗(yàn).

1.3 分析方法

1.3.1 電化學(xué)特性的測定

土壤MFC所產(chǎn)生的電壓U通過數(shù)據(jù)采集器(DAM-3057和 DAM-3210, 中國阿爾泰科技有限公司)進(jìn)行采集.由歐姆定律計(jì)算電流I,電流密度J=I/A,功率密度P=IU/A,其中A為陽極面積.土壤MFC的陰、陽極電勢以飽和甘汞電極為參比電極進(jìn)行測量.

極化曲線采用穩(wěn)態(tài)放電法測量,實(shí)驗(yàn)過程中在電極兩端連接50～10 000 Ω的一系列負(fù)載電阻,每個(gè)阻值下穩(wěn)定約1 h后測量負(fù)載電阻兩端的電壓.計(jì)算電流、電流密度和功率密度后,將電壓和功率密度對電流密度分別作圖，得到極化曲線和功率密度曲線.

1.3.2 微生物種群結(jié)構(gòu)

利用高通量測序的方法測定土壤MFC陽極微生物種群結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),使用土壤DNA樣本提取試劑盒(Omega Bio-tek, Norcross, U.S.)對樣品中基因進(jìn)行提取.對V4-V5區(qū)的16s rRNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,引物為515F 5’-GTGCCAGCMGCCGCGG-3’和907R 5’-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3’.應(yīng)用Illumina HiSeq2500高通量測序平臺對擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行焦磷酸測序.經(jīng)數(shù)據(jù)拆分、去引物序列、拼接、過濾后得到有效數(shù)據(jù),用于后期分析;在給定的相似度下(97%)將數(shù)據(jù)聚成操作分類單元(operational taxonomic units,OUT),然后通過與數(shù)據(jù)庫比對,對OTU進(jìn)行物種分類，并對各個(gè)樣品作物種柱狀圖[20].

2 結(jié)果與討論

2.1 電極間距對土壤MFC產(chǎn)電性能的影響

由圖2可以看出,除了實(shí)驗(yàn)4W以外,其他各組土壤MFC的輸出電壓從第14天以后基本平穩(wěn);同時(shí)土壤MFC的輸出電壓隨著電極間距的變化而顯著變化.當(dāng)間距為4 cm時(shí),其輸出電壓只有110 mV;當(dāng)陰極被淹沒在1 cm水層以下時(shí),電壓急

劇下降,輸出電壓只有30 mV.當(dāng)電極間距增大至10 cm時(shí),土壤MFC的輸出電壓開始有了顯著升高,當(dāng)間距為10 cm時(shí),土壤MFC的輸出電壓達(dá)到最大值,第14天以后基本穩(wěn)定在290 mV.然而,當(dāng)間距繼續(xù)增大到12 cm時(shí),土壤MFC的輸出電壓并沒有繼續(xù)升高,反而降低了很多,最高電壓基本穩(wěn)定在230 mV.

顯然,由于間距的變化,土壤MFC的功率輸出也發(fā)生了相應(yīng)地變化(見圖3).當(dāng)間距為10 cm時(shí),土壤MFC的最大輸出功率最高(33.69 mW/m2),隨著電極間距的減小,最大功率密度也隨著減小.當(dāng)間距為4～8 cm時(shí),最大功率密度分別為10.30,12.13,20.38 mW/m2,當(dāng)電極間距增大至12 cm時(shí),最大功率密度降低到了13.26 mW/m2;然而陰極淹水情況下的土壤MFC最大功率密度只有4.67 mW/m2(見圖3).這些結(jié)果表明，電極間距會顯著影響土壤MFC的產(chǎn)電性能,但并不是隨著間距的增大而一直增大.當(dāng)陰極被水淹沒時(shí),在土壤MFC中,陰極為空氣陰極,水層的存在直接抑制了空氣陰極的反應(yīng)(O2+4H++4e-=2H2O)[15],影響了陰極的電勢，導(dǎo)致輸出電壓降低.同時(shí),電極間距的增大可以有效地防止空氣陰極中的氧擴(kuò)散到陽極,從而提高陽極的性能.電極間距越大,陽極可以獲得的電子越多，陽極電勢也越低,這種氧化還原狀況在熱力學(xué)和動力學(xué)上更有利于陽極形成親電體(親陽極)[21].當(dāng)間距從4 cm增大到10 cm時(shí),陽極電勢從-57 mV降低到-295 mV,但陰極電勢并沒有發(fā)生很大的變化.在4W組中,陽極電勢有所下降,為-187 mV,但陰極電勢顯著的下降到了-46 mV,也就是說陰極性能受到顯著地抑制作用.因此,電極電勢的變化是導(dǎo)致土壤MFC輸出電壓發(fā)生顯著差異的關(guān)鍵因素.當(dāng)間距繼續(xù)增大到12 cm時(shí),土壤MFC的輸出電壓降低,這是因?yàn)殡姌O間距決定了MFC的內(nèi)阻,尤其是歐姆內(nèi)阻的大小[22].一般情況下,間距越大,MFC的內(nèi)阻也就越大,當(dāng)間距增大到一定程度后,內(nèi)阻對MFC產(chǎn)電性能的影響顯著高于陽極電勢的影響[23-24].

(a) 極化曲線

(b) 功率密度

2.2 外接電阻對土壤MFC產(chǎn)電性能的影響

由圖4可以看出,外接電阻也會顯著影響土壤MFC的電壓輸出.在開路條件下,土壤MFC的最高輸出電壓在600 mV左右.在電極兩端接上電阻后,土壤MFC的輸出電壓顯著下降,且外接電阻越小,電壓下降得越多.其中,當(dāng)外接電阻為300～2 000 Ω時(shí),土壤MFC的最高輸出電壓分別為80,170,290和330 mV.與此同時(shí),土壤MFC的最高輸出功率也隨外接電阻的增大而增大,其最大輸出功率密度分別為14.33,24.98,33.69和60.40 mW/m2(見圖5).這與Sajana等[24]研究結(jié)果一致:外接電阻越大,MFC的輸出電壓越高.當(dāng)外接電阻高于500 Ω時(shí),外接電阻就會成為MFC產(chǎn)電的一個(gè)限制性因素;當(dāng)外接電阻小于200 Ω時(shí),電子在陰極的消耗速率顯著低于電子的傳輸速率[14].這可能是由于陰極中氧或質(zhì)子的不足所引起的[14].同時(shí)外接電阻還可以控制電子從陽極到陰極的流動,從而影響土壤MFC的產(chǎn)電性能[24].

此外,通過對土壤MFC電極電勢的測定表明，陰陽極的電極電勢在不同外接電阻條件下存在顯著的差異.隨著外接電阻從300 Ω增大到2 000 Ω,陽極電勢從-155 mV降低到了-293 mV.然而各組土壤MFC的陰極電勢相差并不是很大,基本維持在60～75 mV.這說明外接電阻顯著影響土壤MFC陽極電勢,而且外接電阻越大,陽極電勢越低.

圖4 外接電阻對土壤MFC輸出電壓的影響

(a) 極化曲線

(b) 功率密度

2.3 土壤MFC陽極微生物種群結(jié)構(gòu)的變化

圖6是對土壤MFC陽極微生物相對豐度的分析圖.從圖中可以看到,無論是在開路條件還是閉路條件下,Proteobacteria門的相對豐度都最高,分別為50.00%和51.68%,Bacteroidetes,Chloroflexi和Firmicutes的相對豐度分別為15.50%,19.38%,8.25%,5.28%和2.38%,4.27%(見圖6(a)).以上研究結(jié)果表明,在閉路條件下,Proteobacteria會在MFC中富集[8, 25].Padmanabhan等[26]認(rèn)為Bacteroidetes普遍存在于土壤中,而這種微生物可以代謝一些易降解的有機(jī)物,因此,Bacteroidetes的存在可以提高產(chǎn)電菌對共基質(zhì)的新陳代謝.而且在沉積物中,Proteobacteria,Bacteroidetes和Chloroflexi都包含有非常多樣的產(chǎn)電菌[2, 27].Firmicutes屬于兼性需氧微生物,是MFC微生物群落的重要組成部分,而且能夠在胞外進(jìn)行電子傳遞[28].然而,由于開路與閉路條件的不同,微生物在綱、目、科中產(chǎn)生了巨大的差異(見圖6(b)～(d)).其中,Alphaproteobacteria,Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria的開路和閉路的相對豐度分別為7.60%，5.18%,19.18%，17.56%和5.97%，3.16%.在閉路MFC中,Deltaproteobacteria的相對豐度為24.91%，遠(yuǎn)高于開路中的相對豐度13.84%(見圖6(b));同時(shí),在Desulfuromonadales(見圖6(c))和Geobacteraceae(見圖6(d))的相對豐度分別是開路的2.10倍和1.81倍.Deltaproteobacteria,Desulfuromonadales和Geobacteraceae都屬于Proteobacteria,在嚴(yán)格厭氧條件下,它們會逐步成為主要的微生物種群,同時(shí)它們都可以產(chǎn)生納米導(dǎo)線,與微生物產(chǎn)電有著密切的關(guān)系[27, 29-30],因此這類微生物也被稱之為產(chǎn)電菌(exoelectrogens).Deltaproteobacteria和Geobacteraceae屬硫酸鹽還原菌,可以使用硫酸鹽作為電子受體發(fā)生氧化還原反應(yīng);Desulfuromonadales也是一種非常常見的硫酸鹽還原菌,在海洋沉積物、土壤中非常普遍.另外,這2種細(xì)菌可以氧化乙酸鹽和其他有機(jī)物,從而產(chǎn)生電子.可以發(fā)現(xiàn),在本文土壤MFC中,產(chǎn)電菌的數(shù)量占絕對優(yōu)勢,這些產(chǎn)電菌可以自身產(chǎn)生化學(xué)中介體或電子中介體,或者生成導(dǎo)電附屬物“納米導(dǎo)線”,從而直接或間接向細(xì)胞外傳遞電子給電子受體,如陽極電極等[30].

(a) 門(b) 綱

(c) 目(d) 科

由于營養(yǎng)液成分、基質(zhì)類型、陽極材料等的不同,MFC陽極微生物群落多樣性也存在差異性,導(dǎo)致若干個(gè)系統(tǒng)發(fā)育組成為優(yōu)勢種群.在以盆栽土為基質(zhì)構(gòu)建的MFC中,Desulfobulbusspp.和Geobacterspp.的數(shù)量占絕對優(yōu)勢[31],而這個(gè)屬的微生物都被證實(shí)可以在MFC中產(chǎn)生電能.Cabezas等[27]研究結(jié)果表明,Deltaproteobacteria在MFC陽極中的相對豐度要遠(yuǎn)高于開路對照組,而且存在的電極呼吸條件誘導(dǎo)了產(chǎn)電微生物的生長繁殖,提高了種群數(shù)量.然而,Deltaproteobacteria要成為MFC的微生物群落中的優(yōu)勢群落,則取決于MFC的構(gòu)成條件、介質(zhì)等因素，也可能是由于沉積物或土壤中復(fù)雜的硫化等物其他有機(jī)物降解過程的選擇[1].

3 結(jié)論

1) 土壤MFC產(chǎn)電性能顯著受制于電極間距和外阻的變化,其輸出電壓和最大功率密度隨著電極間距的增大呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,隨著外阻的增大而增大.當(dāng)電極間距為8～10 cm時(shí),其輸出電壓和最大功率密度最大,分別為290 mV和33.69 mW/m2;當(dāng)外接電阻為2 000 Ω時(shí),土壤MFC的輸出電壓和最大功率密度分別為330 mV和60.40 mW/m2.

2) 經(jīng)高通量測序分析發(fā)現(xiàn),土壤MFC陽極與開路對照組中的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化.在土壤MFC中,產(chǎn)電菌Deltaproteobacteria，Desulfuromonadales和Geobacteraceae是其優(yōu)勢種群,其中，Deltaproteobacteria相對豐度為24.91%;Desulfuromonadales和Geobacteraceae的相對豐度分別是開路對照組的2.10倍和1.81倍.

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Performanceofsoilmicrobialfuelcellsunderdifferentconditionsandanalysisonassociatedmicrobialcommunities

Wang Hui Li Lei Cao Xian Fang Zhou Li Xianning

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A membrane-less and single-chamber soil microbial fuel cell (MFC) was constructed. The influences of the electrode spacing and the external resistance in soil MFCs on electricity generation were analyzed, and the associated microorganisms in the anode were investigated. The results show that the voltage and the maximum power density are first increased and then decreased with the electrode spacing ranging from 4 cm to 12 cm. However, the minimum voltage and power density are 30 mV and 4.67 mW/m2when the cathode is submerged below 1 cm water. The voltage and the maximum power density are ranging from 80 to 330 mV and 14.33 to 60.40 mW/m2when the external resistance is from 300 to 2 000 Ω. The anode potential decreases significantly with the reducing electrode spacing or increasing external resistance while the cathode potential is not remarkable variation. In addition, the microbial community analysis demonstrates that there is significant difference between the soil MFCs and control group in the relative abundance.Proteobacteria, especiallyDeltaproteobacteriaas an electrogenic bacterium, is extremely abundant (24.91%) on soil MFC anode. Furthermore, the relative abundance of the other two bacteria,DesulfuromonadalesandGeobacteraceaeis also higher than that in the control group.

microbial fuel cell;electrode spacing;external resistance;microbial community structure

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.010

TM911.45

A

1001-0505(2017)06-1141-07

2017-05-20.

王輝(1986—)，男，博士生；李先寧(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，lxn@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21277024)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2242016K41042)、江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20171351).

王輝,李蕾,曹羨 ,等.土壤微生物燃料電池在不同條件下的產(chǎn)電性能及微生物群落結(jié)構(gòu)分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(6):1141-1147.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.010.