The Denitrification Characteristics and Microbial Community in the Cathode of an MFC with Aerobic Denitrification at High Temperatures

高溫好氧反硝化MFC陰極的反硝化特性及微生物群落

來(lái)源：Front. Microbiol. 8:9

 

論文摘要

本論文研究了一種雙室微生物燃料電池（MFC）在陰極室實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化（SND）處理高濃度氨氮合成廢水的性能。研究重點(diǎn)考察了不同溶解氧（DO）濃度（低DO 0.5–1.0 mg/L，高DO 3.0–4.2 mg/L）和高溫條件（36–48°C）對(duì)MFC運(yùn)行的影響。研究發(fā)現(xiàn)，陰極室內(nèi)電極反硝化（由好氧反硝化細(xì)菌ADB驅(qū)動(dòng)）和傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化共存：高DO下電極反硝化有助于提升電壓輸出，而低DO下傳統(tǒng)反硝化更利于總氮（TN）去除。通過(guò)聚合酶鏈反應(yīng)-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）分析微生物群落，發(fā)現(xiàn)DO升高導(dǎo)致優(yōu)勢(shì)菌群從嗜熱自養(yǎng)硝化菌和兼性異養(yǎng)反硝化菌（低DO）轉(zhuǎn)變?yōu)槭葻岷醚醴聪趸ǜ逥O），門(mén)水平上從厚壁菌門(mén)（Firmicutes）變?yōu)樽冃尉T(mén)（Proteobacteria）。研究證實(shí)，電極提供的電子可支持ADB在低碳氮比（≤0.3）下生存，好氧反硝化在MFC陰極具有可行性。

 

研究目的

 

評(píng)估MFC陰極在高溫下的SND性能：探究DO濃度和溫度變化對(duì)MFC產(chǎn)電效率及氮去除效果的影響。

闡明反硝化機(jī)制：區(qū)分電極反硝化（ADB主導(dǎo)）與傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化的作用，明確各自在高低DO下的貢獻(xiàn)。

解析微生物群落動(dòng)態(tài)：通過(guò)DGGE技術(shù)揭示DO變化引起的陰極生物膜群落結(jié)構(gòu)演變，識(shí)別關(guān)鍵功能菌群。

 

驗(yàn)證電子傳遞作用：探討電極作為電子供體對(duì)ADB的支撐能力，尤其在低C/N條件下的適應(yīng)性。

 

研究思路

本研究采用“分階段實(shí)驗(yàn)-多參數(shù)監(jiān)測(cè)-微生物分析”的系統(tǒng)思路：

 

MFC構(gòu)建與操作：使用雙室反應(yīng)器（陽(yáng)極和陰極體積各0.452 L），以碳刷為電極，Nafion 117膜分隔。陰極室通過(guò)曝氣控制DO，溫度從31°C逐步升至36–48°C。進(jìn)水為合成廢水（COD 300 mg/L，NH??-N 480 mg/L），水力停留時(shí)間10.4小時(shí)。

分階段實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：分為4個(gè)階段——階段1（低DO、中溫）、階段2（低DO、高溫）、階段3（高DO、高溫）、階段4（高DO、高溫且外阻從100Ω降至50Ω），每階段調(diào)整DO和溫度，監(jiān)測(cè)電壓、氮素濃度、DO和N?O。

數(shù)據(jù)采集與技術(shù)應(yīng)用：

 

電化學(xué)參數(shù)：實(shí)時(shí)記錄電壓、陽(yáng)極電位，計(jì)算TN去除率和產(chǎn)電效率。

化學(xué)指標(biāo)：測(cè)量DO、NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN濃度；使用丹麥Unisense N?O微傳感器監(jiān)測(cè)N?O釋放（關(guān)鍵于反硝化副產(chǎn)物分析）。

 

微生物分析：在階段2（第27天）和階段4（第83天）采集陰極生物膜，通過(guò)PCR-DGGE和序列比對(duì)鑒定群落組成。

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)分析：結(jié)合電化學(xué)數(shù)據(jù)和微生物結(jié)果，論證DO和溫度對(duì)反硝化路徑（電極 vs. 傳統(tǒng)）的調(diào)控作用。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測(cè)量了多類(lèi)數(shù)據(jù)，其意義和來(lái)源如下（數(shù)據(jù)均引用自文檔中的圖表）：

 

電壓和陽(yáng)極電位動(dòng)態(tài)（反映MFC產(chǎn)電性能）

 

測(cè)量指標(biāo)：不同階段下MFC的輸出電壓和陽(yáng)極電位變化。

研究意義：這些數(shù)據(jù)直接表征MFC的產(chǎn)電穩(wěn)定性與效率。例如，階段3（高DO）電壓升至100 mV，表明電極反硝化提升輸出；階段4（外阻50Ω）電壓進(jìn)一步增加，證明低外阻促進(jìn)電子傳遞，強(qiáng)化電極反硝化。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2（caption: "Performance of the MFC during continuous operation"）和圖3（電壓曲線(xiàn)）。

 

DO和N?O濃度剖面（揭示反硝化過(guò)程與氧限制）

 

測(cè)量指標(biāo)：使用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)陰極室DO和N?O濃度，尤其依賴(lài)丹麥Unisense N?O微傳感器的高精度測(cè)量。

研究意義：圖3顯示，高DO下N?O釋放量增加（0.3–0.4 mg/L），結(jié)合DO下降，證實(shí)好氧反硝化產(chǎn)生N?O副產(chǎn)物；而低DO下N?O較低，表明傳統(tǒng)反硝化占主導(dǎo)。這些數(shù)據(jù)明確了DO水平對(duì)反硝化路徑選擇及溫室氣體排放的影響。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖3（caption: "Profiles of temperature, DO, N?O, voltage, and anode potential of the MFC"）。

 

氮素濃度變化（量化TN去除效率）

 

測(cè)量指標(biāo)：NH??-N、NO??-N、NO??-N和TN的濃度隨時(shí)間變化。

研究意義：圖2顯示，階段2（高溫低DO）TN去除率最高，但主要依賴(lài)傳統(tǒng)反硝化；階段3（高DO）TN去除下降，但電極反硝化貢獻(xiàn)增加。說(shuō)明高DO抑制異養(yǎng)反硝化，但促進(jìn)ADB利用電極電子。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2（氮素濃度曲線(xiàn)）。

 

微生物群落DGGE分析（關(guān)鍵菌群演變）

 

測(cè)量指標(biāo)：通過(guò)PCR-DGGE獲取陰極生物膜菌群條帶，經(jīng)序列比對(duì)鑒定物種。

研究意義：圖6和表1-2顯示，低DO下優(yōu)勢(shì)菌為厚壁菌門(mén)（如Ureibacillus），擅長(zhǎng)高溫硝化；高DO下變?yōu)樽冃尉T(mén)（如Aquamicrobium、Comamonas），為好氧反硝化菌。這從微生物角度解釋了DO調(diào)控反硝化機(jī)制的優(yōu)勢(shì)菌更替。

 

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖6（caption: "Representative DGGE strips of samples"）和表1-2（物種鑒定結(jié)果）。

 

反硝化速率計(jì)算（量化電子傳遞效率）

 

測(cè)量指標(biāo)：基于庫(kù)侖定律計(jì)算電極反硝化速率（如階段4為13.5–14.6 mg N/(L·d)）。

研究意義：結(jié)合外阻變化（50Ω vs. 100Ω），證明低外阻提升反硝化速率，驗(yàn)證電極作為電子供體的有效性，尤其在高DO下支持ADB活性。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：正文中速率計(jì)算部分（對(duì)應(yīng)圖2和4數(shù)據(jù)）。

 

研究結(jié)論

 

DO是調(diào)控反硝化路徑的關(guān)鍵因子：高DO（3.0–4.2 mg/L）促進(jìn)電極反硝化（ADB主導(dǎo)），提升電壓輸出但降低TN去除率；低DO（0.5–1.0 mg/L）則強(qiáng)化傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化，優(yōu)化TN去除。

高溫增強(qiáng)微生物適應(yīng)性：36–48°C下，菌群從嗜熱硝化菌（如Ureibacillus）演變?yōu)楹醚醴聪趸ㄈ鏑omamonas），證實(shí)ADB在高溫下的活性。

電極電子支撐ADB生存：在低C/N（≤0.3）條件下，電極提供電子使ADB得以存活，凸顯MFC在低碳廢水處理中的潛力。

外阻影響反硝化效率：50Ω外阻比100Ω更利于電子傳遞，提高電極反硝化速率和N?O轉(zhuǎn)化率（10%轉(zhuǎn)化為N?O）。

 

SND在MFC陰極可行：好氧反硝化與硝化可在陰極室同步進(jìn)行，但需平衡DO以?xún)?yōu)化脫氮與產(chǎn)電。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense N?O微傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于揭示好氧反硝化過(guò)程的完整性與環(huán)境效應(yīng)具有決定性意義，其研究?jī)r(jià)值體現(xiàn)在：

 

提供高精度N?O原位監(jiān)測(cè)證據(jù)：Unisense微傳感器能以高靈敏度實(shí)時(shí)測(cè)量陰極室N?O濃度，避免了傳統(tǒng)離線(xiàn)采樣的時(shí)間延遲和干擾。圖3的數(shù)據(jù)顯示，高DO下N?O釋放量（0.3–0.4 mg/L）顯著高于低DO條件，首次在MFC陰極中直接量化了好氧反硝化的N?O副產(chǎn)率，證實(shí)ADB途徑可能增加溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)聯(lián)N?O釋放與反硝化機(jī)制：N?O數(shù)據(jù)與DO變化同步分析（圖3），表明高DO下N?O積累與電極反硝化相關(guān)（外阻50Ω時(shí)N?O占比10%），而低DO下N?O較低暗示傳統(tǒng)反硝化更徹底。這明確了DO通過(guò)調(diào)控反硝化酶活性（如硝酸還原酶）影響N?O生成，為優(yōu)化MFC操作以減少溫室氣體提供了關(guān)鍵參數(shù)。

驗(yàn)證電子傳遞對(duì)反硝化路徑的影響：通過(guò)Unisense數(shù)據(jù)計(jì)算的N?O產(chǎn)率（結(jié)合庫(kù)侖定律），證實(shí)低外阻（50Ω）增強(qiáng)電子流，促進(jìn)ADB還原NO??至N?O而非N?。這一發(fā)現(xiàn)揭示了電極電子通量對(duì)反硝化終產(chǎn)物的調(diào)控作用，對(duì)設(shè)計(jì)低碳MFC系統(tǒng)避免N?O積累具有警示意義。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)保障數(shù)據(jù)可靠性：Unisense傳感器的高選擇性（抗CO?等干擾）和微尺度分辨率（適用于生物膜界面），使其能準(zhǔn)確捕捉瞬態(tài)N?O波動(dòng)，避免了傳統(tǒng)氣相色譜的滯后性。這些高質(zhì)量數(shù)據(jù)是論證“好氧反硝化存在N?O泄漏”的核心證據(jù)，支撐了全文關(guān)于反硝化路徑權(quán)衡的結(jié)論。

 

綜上所述，丹麥Unisense N?O微傳感器在本研究中扮演了“過(guò)程追蹤器”的角色。其提供的實(shí)時(shí)N?O濃度動(dòng)態(tài)，不僅是證明好氧反硝化活性的“指示劑”，更是連接DO調(diào)控、電子傳遞與溫室氣體排放的橋梁。沒(méi)有這項(xiàng)技術(shù)，對(duì)反硝化路徑的環(huán)境影響評(píng)估將缺乏直接數(shù)據(jù)，難以揭示高DO下MFC的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此，它是深入解析生物電化學(xué)系統(tǒng)反硝化機(jī)制不可或缺的工具。