研究比较了黄铁矿基双阳极MFC-CW在不同碳氮比(0和2.5)及初始硝酸盐浓度(7、14和28 mg/L)条件下上阳极和下阳极的反硝化速率,以及对不同阶段硝酸盐还原反应动力学的模拟,从动力学角度揭示系统自养-异养协同反硝化机理.结果显示:不同碳氮比下系统两阳极硝酸盐还原效果差异不大,而亚硝酸盐累积、硫酸盐生成的差别较大,两阳极处微生物群落组成相似,优势菌属的相对丰度受C/N、阳极位置影响较大;两阳极处的硝酸盐还原动力学均属于一级反应,且C/N=0时反硝化速率常数(0.0087、0.0045和0.0188/h)均小于C/N=2.5(0.0151、0.0071和0.0798/h;以上阳极为例);MFC-CW系统的反硝化动力学更符合Monod-CSTR模型,且在停留时间较长时取得更好的拟合效果,随着停留时间的增加,C/N=0时系统的反硝速率增加,C/N=2.5时系统的反硝化速率在一定范围内波动[0.6662-0.7744 g/(m2·d)].实验结果可为黄铁矿基MFC-CW的实际工程应用提供理论指导.

[目的]微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)在去除污染物的同时产出电能,是一种颇有前景的生态修复手段.构建真菌强化MFC装置,比较电动力(EK)、真菌、MFC修复除草剂污染土壤效果及优缺点,探索MFC在有机污染物修复中的应用潜力.[方法]设计了一种添加真菌进行生物强化的MFC,并用EK、真菌、MFC三种方法修复两种除草剂污染的灭菌土壤.经筛选和驯化的疣孢漆斑菌和踝节菌菌株用于后两种方法,研究真菌强化对MFC去除除草剂的影响.测量土壤pH、电导率、除草剂去除率,MFC产电性能,用气相色谱-质谱鉴定两种除草剂的降解产物.[结果]EK修复中,添加模拟电解液、碳纤维条、加电 10 V的处理组 7 d后氯氟吡啶酯(F)和高效氟吡甲禾灵(H)去除率分别为 71%和 38%.真菌、MFC处理F的最大去除率达到 100%.对比踝节菌,疣孢漆斑菌对两种除草剂的降解性能更好,疣孢漆斑菌、踝节菌单菌构建的MFC对H的去除率分别为62.5%和 24.1%.F降解产物为氟氯吡啶酸,H降解产物为乙酸大茴香酯,推测了降解路径和降解动力学.三种方法降解F以及EK降解H均符合动力学一级反应,而真菌和MFC降解H符合二级反应.[结论]对比EK、真菌修复,MFC修复效果更好,该方法可以较快地修复土壤又无需额外供电,是一种经济有效的自持式修复策略.

[目的]从黄河三角洲滨海湿地土壤中获得同时具备产氢、产电以及异化铁还原能力的多功能菌株.[方法]通过厌氧分离技术从黄河三角洲土壤中分离得到纯菌株,16S rRNA基因测序后与数据库已有序列进行比对.利用革兰氏染色及扫描电镜观察菌株形态,并用气相色谱(gas chromatography,GC)和液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)检测其生理代谢底物和产物.通过添加不同形态铁氧化物检测该菌株Fe(Ⅲ)的还原能力.构建微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)检测该菌株的电化学活性.[结果]16S rRNA基因序列比对发现其与双酶梭菌Clostridium bifermentans的相似性达97.99％.革兰氏染色结果显示为阳性菌.能够利用葡萄糖为底物发酵产生氢气、二氧化碳、乙酸和丁酸.Fe(Ⅲ)还原能力检测发现,其不仅可以还原柠檬酸铁(FeC6H5O7)中可溶性的Fe(Ⅲ),还可以还原无定形铁水铁矿(FeOOH)和晶型纳米磁铁矿(Fe3O4)中的Fe(Ⅲ).此外,经MFCs检测发现,该菌具有电化学活性,最大电流输出密度可达6.5 mA/m2,且在0.15 Ⅴ位置存在氧化峰.[结论]本研究从土壤中成功分离得到了一株同时具有产氢、产电以及异化铁还原能力的多功能梭菌菌株,保藏并命名为Clostridium bifermentans EZ-1.

通过向9K培养基中添加单质硫和FeSO4·7H2O两种能源物质,从好氧膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor,MBR)污泥中分离富集氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans,T.t)和氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans,T.f)的混合母液.采用以磁黄铁矿为能源物质的培养基对富集微生物进一步驯化培养后,将其接种在双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)反应器阳极室进行生物浸矿,从反应器产电和电化学分析两方面探究其运行性能.结果表明,富集微生物在磁黄铁矿培养基中培养18d后,菌液中pH降低至0.98 ±0.01,Fe3+、SO42-浓度分别达到(138.6±10.06) mmoL/L、(133.26±2.28)mmol/L;MFC反应器峰值电压达到(126.67±7.02) mV,最大功率密度75.88 mW/m2.

电活性微生物的胞外电子传递在微生物电合成、矿物生物浸出、生物质能回收及污染物原位修复等方面表现出广阔的应用前景,因而受到研究者们的广泛关注.现综述近年来电活性微生物胞外电子传递过程及其应用的相关研究成果,指出该领域面临的主要问题和发展方向.未来应加强微生物胞外电子传递路径及分子机制等方面的研究,分离筛选更高效的电活性菌种,优化反应器工艺设计,拓宽电活性微生物的应用领域,提高相应设备的效率.

生物电化学系统(Bioelectrochemical system,BES)是一种交叉学科的前沿技术,随着全球淡水资源和可利用能源日益剧减,BES构型及应用受到广泛关注.简述微生物燃料电池和微生物电解池结构、原理和国内外研究动态,系统介绍BES及其影响因素,其中微生物活性、阴阳电极材料及电池构造最为重要;概述增加电极室、增加反应室和微型传感器等三方面构型及近年来的应用研究进展,比较单电极室和多电极室的优缺点,以微生物脱盐电池、微生物电解脱盐电池、微生物产酸产碱脱盐池为基础介绍增加反应室构型,重点综述BES在生化需氧量监测方面的研究.由于多室微生物燃料电池构造复杂且产能低,单室将是未来生物电化学系统发展趋势;增加反应室主要以脱盐目的为主,且脱盐池的研究仍需要围绕优化阴阳离子交换膜、维持阳极室内pH平衡以及降低空气阴极溶解氧对反应器性能影响;微生物电极传感器可拓宽应用于更多领域,其敏感性和长期稳定性有待进一步提高.目前对产电微生物群落丰度和活性的研究还相对较少,未来电池构型和增加应用范围依然是BES的研究热点.

为促进微生物燃料电池 (MFC) 推广应用于实际, 构建以填充碳毡构成的三维结构为电极的单室微生物燃料电池, 用于处理生活污水同步产电.对比分析序批运行和连续运行方式对生活污水的处理效果以及MFC的产电性能.在序批实验中, 5 d内化学需氧量 (COD) 、氨氮 (NH4+-N) 去除率分别达到91.1％和98.2％, 处理结果符合城镇污水处理厂污染物排放标准 (GB18918-2002) 一级A标准;当MFC外接51Ω电阻时最大功率密度为27.88 m W/m3.在连续实验中, 污水以稳定流速 (0.2 m L/min) 自反应器底部注入, 形成上流式连续运行模式, 其水力停留时间 (HRT) 为5 d, 此时出水中COD保持稳定, 去除率变化范围为83.2％-97.4％, NH4+-N浓度逐渐降低保持在9.45 mg/L以下, 反应器对污水中NH4+-N的去除效果较好, 自第11天后出水中有NO3--N积累, 导致总氮去除率较低.连续运行方式下MFC最大功率密度为582.5 m W/m3, 约是序批方式的21倍;平稳期平均输出电压为0.087 7 V, 是序批运行时的2.9倍.结果表明在连续运行方式下, 由于有机物得到补充, 微生物可不断利用有机物用于产电, 所以连续运行方式时MFC的产电性能更好, 可以改善序批方式下输出电压较低的现象.最后基于16S rRNA高通量测序分析电极上微生物群落, 发现主导微生物属于Thauera sp.、Saprospiraceae-UN sp.、OPB56-UN sp., Thauera sp.是一类能以电极为电子供体而还原NO3--N的脱氮微生物.因此可通过富集此类脱氮菌来降低连续运行方式下出水NO3--N浓度, 这为改善污水处理效果提供了一种新方法.

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)是一种将人工湿地技术(CW)和微生物燃料电池技术(MFC)结合在一起的新型污水处理系统,其产电机理是产电微生物在底层湿地(阳极)的厌氧条件下生成电子,通过外电路传递到表面湿地(阴极)完成氧化还原反应.但是,近几年来,关于CW-MFC研究的文章较少且研究深度较浅.综述了电极材料、水力条件、湿地植物及微生物等条件对CW-MFC污水处理能力和产电能力的影响.在电极材料方面,选用导电性、吸附性及有效面积大的材料作为电极可有效提高CW-MFC产电与去污能力;在水利条件方面,在HRT为2-3 d的条件下,应选用升流式或升流-降流式的入水方式;湿地植物方面,种植湿地植物的CW-MFC在去污和产电能力上都要优于未种植植物的CW-MFC;微生物方面,阴极与阳极的微生物群落结构存在明显的差异,但存在的产电菌的种类却十分相似.CW-MFC中存在的常见产电微生物主要包括地杆菌属(Geobacter)、脱硫叶菌属(Desulfobulbus)、假单胞菌属(Pseudomona)和脱硫弧菌属(Desulfovibrio)等.最后对CW-MFC的研究方向进行了分析,以期为CW-MFC的实际应用提供理论依据.

生物电化学系统(Bioelectrochemical systems,BESs)可将污染物的降解转化与电能紧密耦联,具有适用基质广泛、反应过程温和且效率高的特点,在环境污染治理中具有广阔的应用前景.近几年,BESs也逐渐被应用到废气处理.由于微生物和电化学过程的复合作用,BESs显示出较高的处理效率和良好的应用前景.本文在对废气类型、效果及反应器构型进行总结的基础上,还对BESs中的重要功能微生物和微生物电化学反应机理进行介绍和讨论,并对BESs在废气处理方面需要解决的问题和研究方向进行展望,以期为提高生物电化学系统的处理性能提供参考.

近年来,微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)发展迅速,然而其功率输出仍然较低,其主要限制因素为接种物的活性及电极材料的选择.阳极电极常被作为有效的微生物载体,并介导电子的快速传递;因此使用新型的电极材料或修饰方法将成为提高MFC效率的重要手段.根据材料的物理特性及改性方法,将阳极电极材料划分为5类:修饰后的传统碳电极材料、石墨烯修饰电极材料、天然生物质电极材料、碳纳米管修饰电极材料以及金属修饰电极材料,并着重介绍了其中的热点——石墨烯修饰电极材料与碳纳米管修饰电极材料.通过分析,归纳出部分能够促进微生物燃料电池电化学表现的优异性能,例如强导电性、生物相容性、高比表面积及耐腐蚀性等;同时,修饰过后的纳米材料、石墨烯材料及三维大孔材料将成为日后的研究重点.未来,研究者们在选择电极材料的时候,应当同时考虑性能的差异性和成本的可控性.人们只有将新材料及改性方法投入到实际的大规模应用中,才能合理有效地实现废水处理及生产清洁能源的目的.