朱 超，王曼婷，張亞文，張春平，馬靚琛，李亞娟

(1.陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.中國(guó)建筑材料工業(yè)建設(shè)西安工程有限公司，陜西 西安 710065；3.上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，上海 201600)

0 引言

由于納米材料被廣泛應(yīng)用于商業(yè)用途，在納米材料和納米產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用和處理過(guò)程中，納米材料難免會(huì)通過(guò)各種途徑進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致了潛在的重金屬離子污染風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對(duì)土壤生態(tài)有顯著的影響.金屬離子釋放是金屬氧化物工程納米材料生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要貢獻(xiàn)者之一，為了控制金屬離子的釋放轉(zhuǎn)運(yùn)，尋求一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的控制或修復(fù)技術(shù)來(lái)解決金屬納米顆粒暴露帶來(lái)的一系列土壤生態(tài)問(wèn)題對(duì)于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

納米氧化鋅是廣泛流行在土壤系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和人體健康最有毒的重金屬之一.它對(duì)細(xì)菌細(xì)胞、植物細(xì)胞及人體細(xì)胞有一定的毒性效應(yīng)，ZnO-NPs進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)后，可使胞內(nèi)代謝系統(tǒng)發(fā)生紊亂、生物化學(xué)成分發(fā)生改變，使菌死亡[1-4].在土壤修復(fù)領(lǐng)域去除納米氧化鋅顆粒是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)[5].

植物微生物燃料電池(P-MFC，Plant Microbial Fuel Cell)是一項(xiàng)通過(guò)植物生理作用強(qiáng)化MFC的技術(shù)[6].植物通過(guò)光合作用將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，其中大部分有機(jī)物由植物根系分泌至根際環(huán)境中.這些物質(zhì)包括糖類(lèi)、有機(jī)酸、酶和一些其他細(xì)胞物質(zhì)，以及乙烯和二氧化碳等氣態(tài)物.在胞外電子呼吸菌的作用下，這些物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為電子、質(zhì)子和二氧化碳，陽(yáng)極生物膜的微生物可通過(guò)多種方式將電子跨細(xì)胞膜傳到體外，而電子通過(guò)導(dǎo)線傳遞至陰極.由此，陰陽(yáng)兩極之間形成電位差，并產(chǎn)生電流和電場(chǎng)[7-9].多數(shù)P-MFC相關(guān)研究側(cè)重于提高陽(yáng)極和陰極傳輸效率或降低P-MFC的內(nèi)部電阻從廢水中收獲更多的能量或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，關(guān)于利用P-MFC作為土壤重金屬污染修復(fù)應(yīng)用的信息極為有限[10].有研究表明植物通過(guò)根系釋放的分泌物可以作為MFC的電子供體，提高電流產(chǎn)量，進(jìn)而利用電化學(xué)還原將六價(jià)鉻轉(zhuǎn)化為三價(jià)鉻是土壤和沉積物中六價(jià)鉻去除的主要機(jī)制[11].但對(duì)于利用P-MFC在土壤中形成的微電場(chǎng)阻控金屬離子的流轉(zhuǎn)遷移和納米金屬氧化物的離子釋放還缺少系統(tǒng)深入的研究.故本研究提出將P-MFC應(yīng)用于金屬氧化物工程納米顆粒源金屬離子的控制，對(duì)于P-MFC在環(huán)境重金屬污染治理方面提供更多理論和技術(shù)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 土壤

本試驗(yàn)所用土壤取自西安市長(zhǎng)安區(qū)西留村水稻種植地，是典型的單季稻和雙季稻種植地.土壤取自0～20 cm的表層土壤，經(jīng)自然風(fēng)干后，去除雜質(zhì)，過(guò)2 mm篩，備用.

1.1.2 植物

本研究選擇根系發(fā)達(dá)的水生草本植物白鶴芋為供試植株，進(jìn)行P-MFC的搭建.

1.1.3 實(shí)驗(yàn)藥品

本實(shí)驗(yàn)主要藥品有納米氧化鋅，1∶1硫酸、2,3,5-三苯基四氮唑氯化物(TTC)、65%～68%硝酸、(羥甲基)氨基甲烷，購(gòu)自于西安拉卡儀器設(shè)備有限公司，均為分析純.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 P-MFC搭建

試驗(yàn)反應(yīng)器如圖1所示.納米氧化鋅污染土壤P-MFC裝置其主體部分采用內(nèi)徑15 cm，高度15 cm的透明玻璃圓桶，陽(yáng)極和陰極都選用高純耐高溫石墨氈，陽(yáng)極尺寸大小10 cm×10 cm×0.5 cm，陰極尺寸大小3 cm×10 cm×0.5 cm.用篩選的土壤進(jìn)行MFC的搭建，在圓桶底層覆土4 cm，將陽(yáng)極用銅導(dǎo)線穿好，使用去離子水潤(rùn)濕后放入圓桶緊貼土壤表面，然后覆土2 cm，將陰極用銅導(dǎo)線穿好緊貼土壤表層，種植3棵健康狀況良好、單株生物量相近的白鶴芋，最后利用銅導(dǎo)線將陰陽(yáng)兩極連接起來(lái)，外接 1 000 Ω大小的電阻.每天保持上覆去離子水1～2 cm保證陰極濕潤(rùn)，外端接電壓采集器，采集P-MFC的電壓數(shù)據(jù).

圖1 P-MFC系統(tǒng)搭建和作用機(jī)制示意圖

本次試驗(yàn)共設(shè)五組不同處理裝置進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示.1號(hào)為簡(jiǎn)單的模擬無(wú)植物土地，2號(hào)為天然白鶴芋種植地，3號(hào)為單陽(yáng)極植物-微生物燃料電池，4號(hào)為雙陽(yáng)極植物-微生物燃料電池，5號(hào)為微生物燃料電池，沒(méi)有植物的參與.

圖2 五組不同處理裝置對(duì)比圖

1.2.2 裝置的運(yùn)行

將五個(gè)裝置置于生物培養(yǎng)箱中，保持土壤表面始終淹水1～2 cm，溫度控制在26±1 ℃，燈光照射控制在十個(gè)小時(shí)左右，每天對(duì)電流、電壓、內(nèi)阻、室溫、濕度及pH進(jìn)行測(cè)量和記錄.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行十天后，電流增長(zhǎng)并穩(wěn)定在50 mA左右表示P-MFC啟動(dòng)，即可以進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn).

1.2.3 納米氧化鋅暴露設(shè)置

P-MFC啟動(dòng)后，給每個(gè)裝置加入700 mg/kg的納米氧化鋅，準(zhǔn)確稱(chēng)量五份納米氧化鋅，溶于水后，使用變幅桿超聲發(fā)生器進(jìn)行充分混勻，以噴淋的方式，一次性加入各裝置中.

1.2.4 土壤pH的測(cè)定

使用土壤pH計(jì)酸堿度測(cè)試儀測(cè)定待測(cè)土壤的pH值，型號(hào)為ZD-06，測(cè)定前，先用研磨布或清潔棉擦拭金屬探頭的部位，以防影響測(cè)定值，將儀器的金屬探頭順時(shí)針垂直插入土樣中下部進(jìn)行測(cè)定，待讀數(shù)穩(wěn)定5～10 s后進(jìn)行讀數(shù).

1.2.5 土壤微生物代謝活性測(cè)定

采取氧化鋅工程納米顆粒暴露前五天的土樣以及氧化鋅工程納米顆粒暴露五天后的土樣，過(guò)2 mm孔篩，選擇兩種對(duì)土壤生化過(guò)程有重要作用并且可能對(duì)ZnO-NPs敏感的酶，兩種酶為熒光素二乙酸酯水解酶(Luciferin diacetate hydrolase FDAH)和脫氫酶(Dehydrogenase DH)，每種測(cè)定做三個(gè)平行，采用比色法測(cè)定FDAH 活性和DH活性[10].

1.2.6 植物生物量和抗氧化酶活性測(cè)定

將植株連帶栽培土壤整體取出花盆浸入水中，洗凈植物表面及根下部，用去離子水清洗植物三次，濾紙擦干.每個(gè)處理裝置取3株植物，做三次平行，將植物分為根、莖葉兩個(gè)部分分別裝于信封中在105 ℃下殺青30 min，將殺青后的植物于65 ℃下烘干至恒重，并稱(chēng)取各部分重量即為干重[12].

本研究選取的抗氧化酶活性(Antioxidant Enzyme Activity，AEA)評(píng)價(jià)系統(tǒng)由超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和過(guò)氧化物酶(POD)構(gòu)成，均采用基于比色法的試劑盒(南京建成公司A001-3、A007-1、A084-1)進(jìn)行測(cè)定.

1.2.7 鋅元素分布測(cè)定

(1)土壤淋濾液的制備

本次實(shí)驗(yàn)用兩種浸提液做對(duì)比，一種為水，模擬正常雨水的淋濾，一種為弱酸溶液，模擬酸雨成分制備，分別進(jìn)行24 h的濕沉降.以水為淋濾液制備土壤浸提液的方法：準(zhǔn)確稱(chēng)量5 g干燥的土壤樣品，放入100 mL干燥的錐形瓶中，加入95 mL蒸餾水，劇烈震蕩2 h，靜置24 h，上清液即為土壤浸提液.以弱酸為淋濾液制備土壤浸提液的方法只需將蒸餾水換成酸溶液(20 mL的硫酸、4 mL的檸檬酸、1.44 mL的硝酸混合，加水調(diào)節(jié)pH到4)，上清液為土壤弱酸浸提液.

(2)ICP-AES測(cè)土壤中的鋅濃度

將制備好的土壤浸提液取15 mL稀釋到30 mL進(jìn)行超速離心(離心前要將浸提液進(jìn)行恒重)，另取10 mL未離心浸提液，將離心后的和未離心的溶液用0.45 μm濾膜過(guò)濾，過(guò)膜后，用ICP-AES測(cè)鋅元素濃度，并記錄兩次沖洗Zn2025、Zn2062、Zn2132的平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 P-MFC啟動(dòng)分析

圖3和圖4為燃料電池電流分析圖和電壓分析圖.0～15天為啟動(dòng)期，及陽(yáng)極生物膜形成階段[11]，在此階段，電流和電壓大幅度上升且各系統(tǒng)電壓變化幅度較大，3號(hào)處理的輸出電流從6 mA提升到35 mA，4號(hào)和5號(hào)從2 mA提升到22 mA，三個(gè)處理的輸出電壓分別從3 V、1.5 V、1.5 V提升到11 V、10 V、8 V；電位上升可能是因?yàn)殚]合回路的形成使得陽(yáng)極產(chǎn)電菌不斷富集，分解土壤中已有的有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低，陽(yáng)極電位升高[13].

圖3 不同P-MFC處理的電流輸出比較

圖4 不同P-MFC處理的電壓輸出比較

隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，陽(yáng)極周邊的有機(jī)質(zhì)易于被微生物消耗完全，而底泥傳質(zhì)隨時(shí)間具有不確定性，所以導(dǎo)致電壓變化幅度較大[14]，圖5為啟動(dòng)前后陽(yáng)極石墨氈表面的生物膜生長(zhǎng)情況.15～20天電流和電壓小幅度上漲，3、4、5號(hào)處理組電流從35 mA、22 mA、22 mA提升到48 mA、46.5 mA、41 mA，電壓從11 V、10 V、8 V提升到17.5 V、17 V、16 V，20天之后電流電壓值保持穩(wěn)定.這與通過(guò)構(gòu)建MFC來(lái)修復(fù)受重金屬污染土壤的電流電壓變化趨勢(shì)相一致[15].從整體運(yùn)行水平來(lái)看，3、4、5號(hào)處理組最大電流密度分別為230.4 mW/m2、220.9 mW/m2、168.1 mW/m2，表1為不同植物用作P-MFC所產(chǎn)生的最高功率密度之間的對(duì)比，可以得到以白鶴芋為植株所搭建的P-MFC產(chǎn)生的電流密度居于中等偏上水平[16].

表1 不同植物用作燃料電池的功率密度

圖5 使用前后的陽(yáng)極石墨氈表面照片

對(duì)三個(gè)處理組的電流和電壓進(jìn)行顯著分析得出，3號(hào)和4號(hào)處理組輸出電流和電壓顯著高于5號(hào)處理組，這證明植物的引入對(duì)提高電池產(chǎn)電效能有一定的促進(jìn)作用.也有相關(guān)研究表明有植物的MFC比沒(méi)植物的MFC有更強(qiáng)的功率和產(chǎn)電性能[17].3號(hào)、4號(hào)產(chǎn)電水平相當(dāng)，說(shuō)明4號(hào)設(shè)置兩層陽(yáng)極對(duì)產(chǎn)電效果并無(wú)影響.采樣后對(duì)白鶴芋根系進(jìn)行了測(cè)量，根系長(zhǎng)度大多在10 cm左右.有電極的植物與普通花盆里種植的植物并無(wú)差別，這表明在土壤中搭建植物-微生物燃料電池并不影響植物的生長(zhǎng)狀況.

2.2 P-MFC運(yùn)行對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響

2.2.1 對(duì)土壤pH的影響

P-MFC啟動(dòng)后，每天對(duì)土壤pH進(jìn)行測(cè)定，納米氧化鋅暴露前5天和暴露后5天的土壤pH基本無(wú)變化，土壤pH一直保持在6.3～6.8之間，P-MFC運(yùn)行階段土壤始終保持1～2 cm淹水面，在加純水后pH會(huì)有小的波動(dòng)，其原因有可能是因?yàn)榧兯募尤朐龃罅送寥拉h(huán)境中H+的濃度，H+通過(guò)離子交換膜從陽(yáng)極室遷移到陰極室，納米氧化鋅在陰極被還原為鋅單質(zhì)，導(dǎo)致陰極室pH增大，由于電極間距較小，H+的傳質(zhì)距離較短，傳質(zhì)受到限制較小，使pH波動(dòng)范圍依舊在6.3～6.8之間.

2.2.2 對(duì)土壤酶活性的影響

土壤的微生物生態(tài)功能是衡量土壤基本性質(zhì)的一個(gè)重要方面[22]，土壤酶活性可以被用作土壤生態(tài)脅迫或土壤生態(tài)恢復(fù)等早期的敏感性指示[23,24].本研究選取FDAH和DH活性.FDAH與總碳、總氮和總磷等土壤養(yǎng)分指標(biāo)關(guān)系密切，能夠很好地反映系統(tǒng)間有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化及土壤中微生物的活性[25].DH存在于微生物細(xì)胞內(nèi)，是典型的胞內(nèi)酶，其活性的大小直接反映土壤微生物的數(shù)量和活性[26].

圖6和圖7分別顯示不同處理土壤在ZnO-NPs暴露后的FDAH和DH活性的變化.由圖6、7可知，在ZnO-NPs暴露前體系下，五種不同處理組的FDAH活性和DH活性大小無(wú)特大差異，2號(hào)有植物無(wú)電極裝置的FDAH和DH活性都略低于3號(hào)和4號(hào)有植物有電極裝置.在ZnO-NPs暴露后，3號(hào)單陽(yáng)極P-MFC的FDAH活性最高，4號(hào)雙陽(yáng)極P-MFC的DH活性最高，二者活性都高于5號(hào)無(wú)植物MFC.1號(hào)和5號(hào)無(wú)植物裝置的FDAH活性在ZnO-NPs暴露后分別降低約24%、19%，DH活性降低約42%、31%，二者活性在ZnO-NPs暴露后有顯著性差異；2、3號(hào)有植物裝置的FDAH活性在ZnO-NPs暴露后分別升高約0.2%、0.48%，4號(hào)裝置的DH活性升高約0.52%，這證明植物的存在能夠顯著提高納米氧化鋅脅迫下土壤的酶活性.植物根系巨大的比表面積為微生物提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)了根際環(huán)境微生物的多樣性與活性[27].這與現(xiàn)有研究表明的P-MFC比MFC有更高的酶活性相一致[28].

圖6 ZnO-NPs暴露后不同設(shè)置土壤的FDAH活性比較

圖7 ZnO-NPs暴露后不同設(shè)置土壤的DH活性比較(“*”表示暴露前后的差異顯著性(p<0.5))

2.2.3 P-MFC對(duì)暴露于ZnO-NPs下植物生長(zhǎng)的影響

不同處理ZnO-NPs暴露前5天和暴露5天后植物生物量比較如圖8所示.可以看出，ZnO-NPs暴露前后植物根莖葉占比無(wú)顯著差異.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，不同P-MFC處理組白鶴芋植株干重平均為10.52±1.37 g，在各個(gè)不同處理之間沒(méi)有顯著差異.其中產(chǎn)電最為活躍的3號(hào)單層陽(yáng)極的P-MFC白鶴芋植株重10.67±1.37 g，4號(hào)雙層陽(yáng)極的P-MFC白鶴芋植株重10.13±1.37 g，自然生長(zhǎng)的白鶴芋植株干重為10.43±1.37 g.白鶴芋穿過(guò)第二層石墨氈的根系相對(duì)第一層較少.在整個(gè)裝置運(yùn)行階段，并未觀察到產(chǎn)電過(guò)程對(duì)白鶴芋生長(zhǎng)，葉片顏色、大小及根系的長(zhǎng)度有顯著影響，表明在土壤中構(gòu)建微生物燃料電池不會(huì)影響現(xiàn)有作物的生長(zhǎng)，石墨氈電極和導(dǎo)線保持了物理化學(xué)穩(wěn)定性，這與現(xiàn)有研究保持一致[29].

圖8 納米氧化鋅暴露前后不同PMFC處理下植物生物量比較

圖9為不同P-MFC處理下植株的抗氧化酶系變化情況.植株通過(guò)超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)等各抗氧化酶的協(xié)同作用，可把環(huán)境脅迫下細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的具有很強(qiáng)氧化活性的活性氧如H2O2、OH·等直接或間接地清除，防止了活性氧的級(jí)聯(lián)放大作用[30,31]，在植物生命活動(dòng)中起著舉足輕重的作用，同時(shí)可作為環(huán)境脅迫強(qiáng)度的衡量指標(biāo).

由圖9可以看出，運(yùn)行體系的植株樣本的AEA值顯著高于對(duì)照，且都表現(xiàn)為“先升后降”.這是由于在超出細(xì)胞承受能力后細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度加深，細(xì)胞受到的傷害增強(qiáng)，影響了細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)等物質(zhì)的合成，因此抗氧化酶活性下降[32,33].SOD的活性較CAT和POD活性高出很多，這一方面由于SOD是歧化超氧自由基的催化酶，之后CAT和POD才將歧化產(chǎn)生的H2O2轉(zhuǎn)化為H2O和O2.同時(shí)說(shuō)明SOD在白鶴芋耐受ZnO-NPs脅迫中起主要作用.在無(wú)P-MFC設(shè)置土壤中，SOD和CAT的活性都有顯著增加，反映了植株對(duì)ZnO-NPs暴露所表現(xiàn)的氧化應(yīng)激作用，而在P-MFC設(shè)置中的根部區(qū)域土層中，AEA體系并未發(fā)生明顯變化，證實(shí)P-MFC處理能夠有效弱化納米氧化鋅對(duì)土壤植物的氧化脅迫效應(yīng)，當(dāng)然，較之對(duì)照，ZnO-NPs暴露還是造成了植株AEA體系活性水平的上升，說(shuō)明該情境下的ZnO-NPs暴露對(duì)于植株有確定的低劑量刺激效應(yīng)[34]，再次印證了P-MFC在弱化納米金屬顆粒土壤暴露對(duì)植株毒性效應(yīng)方面的作用.

圖9 不同P-MFC處理下植株的AEA變化

2.3 P-MFC對(duì)于ZnO-NPs土壤行為的影響

通過(guò)ICP-AES測(cè)定在濃度為700 mg/L的ZnO-NPs暴露下各P-MFC的土壤浸提液中的Zn2+濃度，結(jié)合不同土層中的微生物生長(zhǎng)情況，分析ZnO-NPs顆粒在不同處理中的擴(kuò)散情況.不同處理中各層土壤鋅元素濃度有所差異，淋濾液經(jīng)過(guò)超速離心后，以ZnO-NPs形態(tài)存在的Zn元素被沉在離心管底部，用ICP-AES測(cè)上清液中Zn元素濃度，所得數(shù)值即為暴露在土壤中的納米氧化鋅轉(zhuǎn)化為離子形態(tài)的濃度.

圖10為在水淋濾和弱酸淋濾處理下不同裝置Zn元素在不同土壤層分布的情況.由圖10(a)可知，五個(gè)處理組在離心和未離心的水淋濾液以及弱酸淋濾液中的Zn元素濃度在1 cm土層最高，且隨著土層的加深，Zn元素濃度越低.其中，3號(hào)單層陽(yáng)極P-MFC和4號(hào)雙層陽(yáng)極P-MFC表層土壤中Zn2+濃度與其它三組處理相比，濃度高出2倍以上，但到上層4 cm處單層陽(yáng)極和雙層陽(yáng)極P-MFC的Zn2+濃度均低于其它三組處理，圖10(b)的3、4號(hào)處理在1 cm土壤層Zn元素濃度可達(dá)180 mg/L、140 mg/L，在4 cm兩者只有約5 mg/L，1、2、5號(hào)處理在1 cm土壤層Zn元素濃度可達(dá)30 mg/L、70 mg/L、80 mg/L，在4 cm處達(dá)25 mg/L、30 mg/L、10 mg/L，在7 cm處Zn元素濃度幾乎為零.與4 cm土壤層相比，其單陽(yáng)極及雙陽(yáng)極P-MFC的Zn元素濃度有96.8%被截留在1 cm土壤上層，無(wú)植物無(wú)電極的處理裝置Zn元素濃度有16.7%、被截留在1 cm土壤上層，其截留率較之對(duì)照提升了82.7%，這說(shuō)明設(shè)置P-MFC的處理可以將部分納米氧化鋅工程顆粒的Zn2+阻截在土壤層，而未設(shè)置植物的MFC和只有植物無(wú)電極以及無(wú)植物無(wú)電極的處理中Zn2+相對(duì)向下擴(kuò)散，阻截效應(yīng)相比P-MFC不夠明顯.

圖10(c)為離心后水淋濾液中Zn2+濃度，大多數(shù)暴露的納米氧化鋅顆粒被阻截在土壤表層中.圖10(d)為離心后弱酸淋濾液中鋅元素濃度分析圖，與圖10(c)相比，對(duì)暴露在土壤表層中的納米氧化鋅轉(zhuǎn)化成的離子態(tài)鋅的阻截效應(yīng)更加明顯，圖10(d)的單陽(yáng)極和雙陽(yáng)極P-MFC在陰極附近的Zn元素濃度相比上層4 cm處，其截留率約為98%，只有植物無(wú)電極以及無(wú)植物無(wú)電極的P-MFC截留率約83%，可以得到P-MFC有顯著降低Zn2+向下層土壤遷移釋放的作用.

圖10 水淋濾和弱酸淋濾處理下土壤層不同裝置Zn元素分布

圖11為各處理裝置每層土壤Zn元素濃度對(duì)比分析圖.其中，黃色深淺代表Zn元素含量的大小，紅色下方土壤中Zn元素含量與無(wú)植物無(wú)電極的1號(hào)土壤Zn元素含量基本相同.單陽(yáng)極和雙陽(yáng)極P-MFC處理的Zn元素明顯被阻截在上層土壤，Zn元素集中在水和土壤的交界面陰極層中，靠近陰極的地方集中最多Zn元素，而其它裝置ZnO-NPs不同程度的擴(kuò)散到下層土壤.這說(shuō)明在P-MFC上陽(yáng)極產(chǎn)生的電子相對(duì)而言更易被土壤中的金屬離子這些電子受體接收，從而達(dá)到固化土壤中的金屬離子的作用，將土壤中的納米氧化鋅阻截在陰極附近[27].

圖11 各土壤層不同裝置Zn元素分布

3 結(jié)論

為了探究P-MFC對(duì)土壤中金屬顆粒的阻截效應(yīng)，以及P-MFC產(chǎn)電的可利用價(jià)值，本論文分別構(gòu)建了雙層陽(yáng)極P-MFC、單層陽(yáng)極P-MFC、MFC、普通白鶴芋種植及無(wú)植物種植裝置，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)在系統(tǒng)運(yùn)行的20天內(nèi)，單陽(yáng)極P-MFC、雙陽(yáng)極P-MFC以及無(wú)植物MFC處理組均能維持較穩(wěn)定的產(chǎn)電，在整個(gè)運(yùn)行階段輸出電壓整體穩(wěn)定在15～18 V，電流穩(wěn)定在50 mA左右，植物的引入可以提升MFC的產(chǎn)電性能且P-MFC的搭建對(duì)植株的正常生長(zhǎng)不產(chǎn)生影響.

(2)植物的存在和電池的通入能夠顯著提高ZnO-NPs脅迫下土壤的FDAH和DH活性及弱化土壤中納米金屬顆粒對(duì)植株的毒性效應(yīng).

(3)P-MFC可在24 h的運(yùn)行周期下將濕沉降暴露的ZnO-NPs顆粒截留在1 cm土層處，4 cm處Zn2+濃度相比1 cm降低96.8%，7 cm土層以下Zn2+濃度為零，P-MFC對(duì)Zn2+的截留率較之對(duì)照組增加了82.7%，P-MFC對(duì)土壤中暴露的ZnO-NPs顆粒向下層土壤的遷移釋放起到一定的阻截效應(yīng).