Microbiome characterization of MFCs used for the treatment of swine manure

微生物燃料電池中使用的微生物特征描述應(yīng)用豬糞便生態(tài)處理

來源：Journal of Hazardous Materials 288 (2015) 60–68

 

一、摘要內(nèi)容

摘要指出，傳統(tǒng)的豬糞便處理采用厭氧消化法，但此法不能去除氮。微生物燃料電池（MFCs）技術(shù)則能在去除有機物和氮的同時產(chǎn)生電能。然而，用于處理工業(yè)廢水（如豬糞便）的MFCs中的微生物組尚未得到充分表征。本研究采用多學(xué)科方法，揭示了微生物組與營養(yǎng)物去除能力及產(chǎn)電性能之間的關(guān)系。研究使用了兩種不同的MFC構(gòu)型（C-1和C-2）處理豬糞便。在C-1中，硝化和反硝化過程在不同單元進行；而在C-2中，同步硝化反硝化發(fā)生在陰極室。在兩種系統(tǒng)的陽極室均鑒定出Clostridium disporicum和 Geobacter sulfurreducens。C. disporium與復(fù)雜有機物的降解相關(guān)，而 G. sulfurreducens與產(chǎn)電相關(guān)。由于運行條件不同，兩種系統(tǒng)中鑒定出不同的硝化菌群。兩種構(gòu)型的陰極室均檢測到最高的微生物多樣性，包括擬桿菌門、綠彎菌門和變形菌門的成員。這些微生物群落使得兩個系統(tǒng)取得了相似的有機物（2.02–2.09 kg COD m?3 d?1）和氮（0.11–0.16 kg N m?3 d?1）去除率，但產(chǎn)電量差異顯著（C-1為20 mW m?3，C-2為2 mW m?3）。

二、研究目的

本研究的主要目的是表征和處理豬糞便的兩種不同MFC構(gòu)型（C-1和C-2）中各單元（陽極、陰極、外部硝化反應(yīng)器）的微生物群落（微生物組），并建立其與系統(tǒng)功能（污染物去除、產(chǎn)電）的聯(lián)系。具體目標包括：

 

評估兩種MFC構(gòu)型長期處理豬糞便的性能（有機物和氮的去除，電能產(chǎn)生）。

鑒定并比較兩種構(gòu)型各單元中占主導(dǎo)地位的細菌種群。

闡明關(guān)鍵微生物（如產(chǎn)電菌、硝化菌、反硝化菌）在系統(tǒng)運行中的功能角色。

 

從微生物學(xué)角度解釋兩種構(gòu)型在污染物去除效率和產(chǎn)電性能上差異的原因。

 

三、研究思路

研究采用多學(xué)科技術(shù)相結(jié)合的分析思路：

 

實驗設(shè)計：構(gòu)建并長期運行（共270天）兩種MFC構(gòu)型。

 

C-1構(gòu)型：MFC（陽極+陰極）與外部硝化反應(yīng)器耦合。豬糞便先進入陽極去除有機物，出水進入外部好氧反應(yīng)器進行硝化，再進入陰極進行反硝化。

 

C-2構(gòu)型：單一MFC，陽極出水直接進入陰極，通過在陰極控制溶解氧實現(xiàn)同步硝化反硝化。

 

系統(tǒng)性能監(jiān)測：定期測量進出水的化學(xué)需氧量（COD）、氮形態(tài)（銨鹽NH??、亞硝酸鹽NO??、硝酸鹽NO??）濃度，并監(jiān)測電池電壓、電流、電極電位等電化學(xué)參數(shù)。性能數(shù)據(jù)匯總于表2。

 

微生物群落表征：當系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，從各單元（陽極、陰極、外部反應(yīng)器）采集生物膜樣本，運用多種技術(shù)進行分析：

 

顯微鏡技術(shù)：掃描電鏡（SEM）觀察生物膜形態(tài)。

 

分子生物學(xué)技術(shù)：熒光原位雜交（FISH）靶向檢測特定功能菌群（如氨氧化菌AOB、亞硝酸鹽氧化菌NOB）；聚合酶鏈反應(yīng)-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）分析微生物群落結(jié)構(gòu)相似性（圖2）并對優(yōu)勢條帶進行測序鑒定（表3）。

 

 

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：將微生物群落分析結(jié)果與系統(tǒng)的化學(xué)、電化學(xué)性能數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，解釋其內(nèi)在聯(lián)系。

 

四、測量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明圖表來源）

研究測量了多類數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)（污染物去除與產(chǎn)電）：包括有機物（COD）去除速率、氮轉(zhuǎn)化（硝化、反硝化）速率、庫倫效率（CE）和功率密度等。

 

研究意義：直接量化了兩種MFC構(gòu)型處理豬糞便的實際效果。數(shù)據(jù)顯示兩種構(gòu)型有機物去除率相當，但C-1的氮去除效率（7%）低于C-2（22%），且C-1的產(chǎn)電功率（20 mW m?3）遠高于C-2（2 mW m?3）。這引出了對微生物學(xué)機制差異的探究。

 

數(shù)據(jù)來源：這些關(guān)鍵性能參數(shù)全部匯總在表2中。

 

微生物群落結(jié)構(gòu)相似性數(shù)據(jù)（PCR-DGGE）：通過DGGE指紋圖譜和Jaccard相似性指數(shù)分析不同樣本間微生物群落的相似度。

 

研究意義：直觀展示了不同構(gòu)型、不同單元微生物群落的差異與聯(lián)系。例如，圖2的樹狀圖顯示兩種構(gòu)型的陽極群落相似性很高（>80%），而陰極群落差異較大（65%相似性），這為性能差異提供了微生物學(xué)證據(jù)。

 

數(shù)據(jù)來源：DGGE凝膠圖譜及相似性分析展示在圖2。

 

優(yōu)勢微生物種類鑒定數(shù)據(jù)（DGGE條帶測序）：對DGGE圖譜中的優(yōu)勢條帶進行測序，并與數(shù)據(jù)庫比對，鑒定其主要物種。

 

研究意義：明確了各單元中的關(guān)鍵功能微生物。例如，陽極中的優(yōu)勢菌為Clostridium disporicum（一種發(fā)酵菌）和Geobacter sulfurreducens（一種產(chǎn)電菌）；陰極中存在多種反硝化菌；外部硝化反應(yīng)器中存在Nitrosospira（AOB）和Nitrobacter alkalicus（NOB）。

 

數(shù)據(jù)來源：鑒定結(jié)果詳細列在表3中。

 

功能菌群空間分布數(shù)據(jù)（FISH）：使用特異性探針標記并量化AOB和NOB在生物膜中的相對豐度和分布位置。

 

研究意義：揭示了微生物在微觀尺度上的空間組織策略。如圖3所示，在外部反應(yīng)器的生物膜中，AOB分布在外層以優(yōu)先獲取氧氣和銨鹽，NOB則在內(nèi)層被AOB包圍，以利用其產(chǎn)生的亞硝酸鹽，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化了硝化過程。

 

數(shù)據(jù)來源：FISH圖像及分析展示在圖3。

 

溶解氧與氧化亞氮濃度數(shù)據(jù)（使用丹麥Unisense電極測量）：使用Unisense溶解氧探頭控制外部硝化反應(yīng)器的DO濃度（3.0 mg O? L?1）；使用Unisense N?O微傳感器（N?O-100）測量水體中的氧化亞氮濃度。

 

研究意義：溶解氧數(shù)據(jù)是控制硝化反應(yīng)條件的關(guān)鍵參數(shù)。N?O測量則用于評估反硝化過程的完整性，本研究未檢測到N?O，表明反硝化進行得比較完全，減少了溫室氣體排放的風(fēng)險。

 

數(shù)據(jù)來源：DO控制值在表2的“Dissolved oxygen concentration”行中報告；N?O的測量在“材料與方法”部分的“Analyzes and calculations”段落中提及（n.d., 即未檢測到）。

 

五、結(jié)論

研究得出以下核心結(jié)論：

 

MFC可有效處理豬糞便：兩種MFC構(gòu)型均能有效去除豬糞便中的有機物和氮，證明了該技術(shù)的可行性。

構(gòu)型決定微生物群落與性能：MFC的構(gòu)型（單級或多級）和運行參數(shù)（如DO）顯著塑造了其中的微生物群落結(jié)構(gòu)，進而決定了系統(tǒng)的主要功能（脫氮效率、產(chǎn)電能力）。C-1的多級分離構(gòu)型更利于富集專性功能菌，實現(xiàn)高效產(chǎn)電和分步硝化反硝化；C-2的單一構(gòu)型則形成了更復(fù)雜的混合群落，實現(xiàn)了同步硝化反硝化，但產(chǎn)電效率較低。

關(guān)鍵功能微生物被鑒定：Clostridium disporicum是降解豬糞便復(fù)雜有機物的關(guān)鍵細菌；Geobacter sulfurreducens是主要的產(chǎn)電菌；不同構(gòu)型下富集了不同的AOB種群（C-1為Nitrosospira，C-2為Nitrosomonas europaea）。

 

權(quán)衡與優(yōu)化：研究揭示了在MFC設(shè)計中存在“處理效率”與“能源回收”之間的權(quán)衡。C-2構(gòu)型具有更高的脫氮效率，而C-1構(gòu)型能產(chǎn)生更多的電能。實際應(yīng)用需根據(jù)目標（最大化脫氮或產(chǎn)能）進行構(gòu)型選擇和優(yōu)化。

 

六、使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的傳感器（溶解氧探頭和N?O微傳感器）測量的數(shù)據(jù)，雖然著墨不多，但在確保實驗質(zhì)量和合理解讀數(shù)據(jù)方面起到了關(guān)鍵作用：

 

精確控制核心環(huán)境變量：在C-1的外部硝化反應(yīng)器中，使用Unisense溶解氧探頭將DO濃度精確控制在3.0 mg O? L?1。這個精確的DO控制是成功實現(xiàn)完整硝化（銨鹽→硝酸鹽）的前提，避免了因缺氧導(dǎo)致硝化不完全，或因過度曝氣造成能耗浪費和碳源損失。這對于后續(xù)陰極反硝化獲得充足底物（NO??）至關(guān)重要。

評估反硝化路徑完整性，排除溫室氣體排放風(fēng)險：使用高靈敏度的Unisense N?O微傳感器監(jiān)測反應(yīng)器出水中的N?O濃度。檢測結(jié)果為“未檢測到（n.d.）”。這個關(guān)鍵的陰性數(shù)據(jù)表明，在本實驗條件下，反硝化過程能夠順利進行到底，將硝酸鹽最終還原為氮氣（N?），而非中間產(chǎn)物氧化亞氮（N?O）。N?O是一種強效溫室氣體。這一測量結(jié)果排除了MFC處理豬糞便過程中可能產(chǎn)生顯著溫室氣體副產(chǎn)品的風(fēng)險，從環(huán)境安全角度支持了該技術(shù)的可持續(xù)性。

 

提供方法可靠性與數(shù)據(jù)質(zhì)量保證：Unisense傳感器以其高精度和可靠性聞名。使用該品牌傳感器進行測量，為整個研究中關(guān)于氮轉(zhuǎn)化速率、效率的計算提供了高質(zhì)量的基礎(chǔ)環(huán)境參數(shù)。例如，穩(wěn)定的DO控制是準確計算硝化速率的基礎(chǔ)；而準確的N?O測量則是計算總氮去除率和評估脫氮過程完整性的重要依據(jù)。

 

總而言之，Unisense電極的測量數(shù)據(jù)在本研究中扮演了 “過程守護者”和 “環(huán)境安全審計員”的角色。它們通過對溶解氧和氧化亞氮這兩個關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控，一方面確保了硝化/反硝化生物反應(yīng)能夠在所需的理想條件下進行，從而使得后續(xù)的微生物群落和性能分析具有可比性和意義；另一方面驗證了該生物處理過程的環(huán)境友好性，為其作為一種可持續(xù)的豬糞便處理技術(shù)提供了重要支持。