目的 探索电催化制过氧化氢过程物种成分并观察其对 3 种指示菌的消毒效果.方法 采用气体扩散流动电解池制备过氧化氢消毒液,利用电子自旋共振(EPR)检测活性氧种类及变化规律,并与市售过氧化氢对比,观察对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌黑色变种芽孢 3 种微生物指示菌的消毒效果.结果 电催化制过氧化氢消毒液中除过氧化氢外,还存在超氧阴离子、羟基自由基和单线态氧 3 种亚稳态活性氧,其比例约为 5:3:1,且在电催化制结束后约 1 h内 3 种新生态活性氧含量均可维持在较高水平;电催化制过氧化氢消毒液对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌黑色变种芽孢在消毒作用1、5和30 min时对3种微生物指示菌能满足杀灭对数大于5.0的消毒作业要求.结论 电催化制过氧化氢消毒液在产生过氧化氢同时生成多种活性氧,可以有效提高杀灭微生物能力.

[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.

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.

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.

[背景]微生物电化学系统耦合了电化学反应和厌氧消化过程,在处理剩余污泥同时实现能源回收,成为具有应用前景的技术之一.揭示电活性生物膜和活性污泥种群互作机制,有助于进一步调控和强化系统性能.高通量核酸测序技术研究微生物群落具有投入大、耗时长和不可预测的缺点,开展微生物群落动态仿真可以更有效地预测群落结构与功能.[目的]研究厌氧消化和生物电化学系统的微生物种间热力学与动力学的演化规律.在考虑电子供体、电子受体、温度、pH值等生态条件下,分析底物的电子流向及微生物群落结构的动态变化.[方法]通过对剩余污泥处理的微生物电解池(Microbial electrolytic cell,MEC)建立一个多Agent仿真(Multi-agent-based simulation,MAS)模型,评估MEC对底物氧化电子转移的能量效率和传质效率,模拟微生物群落结构实时变化,同时耦合动力学和热力学分析;揭示影响MES运行的电子流向决定性因素及相应的微生物种群,为复杂污染物生物处理系统中种间互作和动力学研究提供基础依据.[结果]通过MAS模拟,确定MEC污泥处理工艺的最佳能量传递效率与传质效率为η=0.2,ε=0.5,MAS结合热力学与动力学参数模拟微生物的群落动态与实验组有较高的吻合性.在长期的运行中,微生物电化学系统中丙酮酸没有积累.[结论]证实了MAS结合热力学与动力学参数可以预测微生物的群落动态,并进行实时监测.研究表明多Agent仿真为微生物群落结构动态变化提供了一种新的研究方法,该方法与高通量核酸测序技术进行校验和联用,为人工和自然生态系统中微生物种群预测与评估研究提供一个新的手段.

在污泥厌氧消化与微生物电解池耦合系统中,研究不同外加电压对污泥产甲烷及降解菲的影响,外加电压分别设定为0.4、0.8、1.2和2.5 V,定期对消化过程中产气量、pH、总有机碳(TOC)、溶解性化学需氧量(SCOD)、氨氮及菲含量等参数进行分析,并通过高通量测序对消化污泥及电极生物膜上的微生物多样性进行分析.结果表明:外加电压能有效促进污泥厌氧消化产甲烷并提高系统中菲的降解率,当外加电压为0.8 V时,单位质量固体的甲烷产率为136.36 L/kg,挥发性固体(VS)的去除率为42.26％,污染物菲的去除率为43.88％,均明显高于其他实验组.微生物多样性分析表明:当外加电压低于0.8 V时,阴极生物膜上的优势产甲烷菌为Methanosaeta和Methanospirillum,属于乙酸营养性产甲烷菌;当外加电压为0.8 V以上时,阴极生物膜上的优势产甲烷菌为Methanobacterium,属于氢营养性产甲烷菌.

产电微生物是微生物燃料电池、电解池和电合成等微生物电化学技术(Microbial electrochemical technologies,METs)的研究基础.产电微生物与电极界面间的胞外电子传递(Extracellular electron transfer,EET)效率低以及生物被膜形成能力弱限制了METs在有机物降解、电能生产、海水淡化、生物修复和生物传感等方面的应用.因此,强化产电微生物与电极界面间的相互作用是过去几年的主要研究热点.针对近年的研究,本文系统概述了通过改造产电微生物来增强微生物-电极间相互作用的各种策略,重点分析了这些策略的适用性和局限性,并展望了强化产电微生物-电极界面作用在微生物电化学技术利用方面的研究前景.

铁还原菌是一种典型的异化金属还原菌,广泛分布于海洋沉积物、陆地深地层等自然环境,该类细菌可以将铁氧化物中的Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ),在铁、碳的生物地球化学铁循环中发挥重要作用.铁还原菌的末端电子不局限于Fe(Ⅲ),还可以是其他高价金属、有机污染物,可用于土壤、地下水的污染修复和毒性削减.在微生物电化学系统中,铁还原菌氧化有机物产生的电子直接传递给电极,可以产生电能.基于这种独特的胞外电子传递方式,衍生出了微生物燃料电池、微生物电解池、微生物脱盐电池、微生物燃料电池耦合芬顿反应以及光催化微生物燃料电池,常用于微生物发电、生物传感器、生物制氢、定向发酵、海水淡化、生物脱盐和污染物分解矿化.本文从异化铁还原菌的代谢机制、微生态作用、环境修复、水资源再生与能源转化四个方面,综述了铁还原菌的作用原理及国内外研究现状,分析论述了目前亟需解决的关键问题和未来的研究方向,以期为铁还原菌的基础理论研究和应用技术研发提供参考.

为探究微生物电解池耦合厌氧消化(MEC-AD)产甲烷代谢通量与微生物的关系.实验以电压为扰动因子,采用代谢通量分析(MFA)的方法,得到微生物群落与产甲烷通量的响应关系.结果表明:电压扰动后产甲烷通量和产氢通量均发生显著变化,而电压扰动对产乙酸通量的影响较小,其中0.6 V扰动时产甲烷通量最大为0.522±0.051,较对照组1.0 V的0.295±0.013和1.4 V的0.395±0.029分别提高了77％和32％.另外,平均有15.7％±2.9％的H2(通量)用于还原CO2产甲烷和乙酸,平均有27.7％±6.9％的乙酸(通量)转化为CH4.毛螺旋菌(Lachnospiraceae)的丰度对乙酸通量有显著影响,产CH4通量与理研菌属(Petrimonas)、互营单胞菌属(Syntrophomonas)、拟杆菌属(Blvii28)、假单胞菌属(Acinetobacter)的丰度呈正相关,与梭菌属(Tuzzerella)、球形螺旋菌属(Sphaerochaeta)的丰度呈负相关.而影响产H2通量和产CH4通量的物种具有相似性,多为拟杆菌、梭菌、假单胞菌和厚壁菌.此外,物种种间互作关系也是影响MEC-AD产甲烷通量的重要因素.