Page 191 - 《精细化工》2022年第12期

第 12 期 郭金燕，等: Cu 2 O/rGO 修饰阴极对 MFC 产电脱氮性能及菌群结构的影响
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去除速率为 83.33 mg/(L·h)；此时，Pt/C-MFC的NO 3 -N
的质量浓度为(13.68±9.04) mg/L，去除率为 94.28%±
4.20%，且在 5 h 时，Pt/C-MFC 仍存在(0.36±2.56) mg/L
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的 NO 3 -N，去除速率为 41.67 mg/(L·h)。此结果也高
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于以 rGO/PANI 修饰阴极的 MFC 对 NO 3 -N 的去除
能力 [39] ，说明 Cu 2 O/rGO 复合材料修饰阴极改善了
MFC 的脱氮效果。由图 7d 可知，Pt/C-MFC 和 Cu 2 O/
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rGO-MFC 对 NO 2 -N 的积累量变化趋势均是先升高
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后下降，并且 Cu 2O/rGO-MFC 中 NO 2 -N 的最大积累
量为(37.66±3.33) mg/L，较 Pt/C-MFC 提高了 27.03%。
2.4 Cu 2 O/rGO 修饰阴极对 MFC 阴极微生物群落
结构的影响
在 MFC 产电脱氮过程中，微生物中的反硝化菌
将接收的电子经电子传递链传递给反硝化相关酶，
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NO 3 -N 在反硝化相关酶的作用下完成还原反应，其
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中，NO 3 -N 去除效率很大程度都依赖 NAR 和 NIR
等酶的活性。WANG 等 [40] 研究认为，可通过提高
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NAR 和 NIR 的活性来改善 NO 3 -N 的去除率。而 EPS
中的 PN、PS 和腐殖质等物质可作为电子转移的瞬
态介质，直接影响 NAR 和 NIR 的活性 [41-42] 。为了
了解 Cu 2 O/rGO 复合材料对 MFC 阴极表面微生物群
落结构的影响。在运行周期结束后，测量 Pt/C-MFC
和 Cu 2 O/rGO-MFC 阴极微生物中反硝化相关酶的活
性、EPS 的含量和组分，对微生物菌群结构进行测序。
2.4.1 Cu 2 O/rGO 阴极微生物中反硝化酶活性
图 8 为 Pt/C-MFC 和 Cu 2 O/rGO-MFC 阴极脱氮
过程中 NAR 和 NIR 的活性。
图 8 Pt/C-MFC 和 Cu 2 O/rGO-MFC 阴极酶活性
Fig. 8 Pt/C-MFC and Cu 2 O/rGO-MFC cathode enzyme activities
由图 8 可知，Pt/C-MFC 阴极 NAR 活性〔(0.19±
0.10) μmol – /(min·mg 蛋白质)〕和 NIR 活性〔(0.25±
NO 2 N
0.001) μmol – /(min·mg 蛋白质)〕均小于Cu 2 O/rGO-MFC
NO 2 N
阴极 NAR 活性〔(0.23±0.20) μmol – /(min·mg 蛋白质)〕
NO 2 N
和 NIR 活性〔(0.27±0.001) μmol – /(min·mg 蛋白质)〕，
NO 2 N
这表明 Cu 2O/rGO 复合材料提高了 MFC 阴极微生物中
的 NAR 和 NIR 活性。
2.4.2 Cu 2 O/rGO 阴极微生物中 EPS 含量和组分
EPS 是细胞絮凝物的主要成分，具有吸附污染
·2557·
物和黏合细菌等功能 [43] ，污泥中 EPS 含量与 NAR
和 NIR 活性密切相关。EPS 含量主要是 PN 和 PS
的总和 [44] 。Pt/C-MFC 和 Cu 2 O/rGO-MFC 阴极微生
物表面 PN 和 PS 的含量（以挥发性悬浮固体的质量
计，下同）如图 9 所示。
图 9 Pt/C-MFC 和 Cu 2 O/rGO-MFC 阴极 EPS 含量
Fig. 9 EPS content of Pt/C-MFC and Cu 2 O/rGO-MFC cathodes
由图 9 可见，Pt/C-MFC 阴极的 EPS 含量为(23.32±
0.77) mg/g，其中 PN 和 PS 的含量分别为(13.00±0.17)
和(10.32±0.60) mg/g；Cu 2 O/rGO-MFC 阴极的 EPS
含量为(32.04±0.24) mg/g，其中 PN 和 PS 的含量分
别为(10.62±0.11)和(21.42±0.13) mg/g。Cu 2 O/rGO-MFC
阴极 PN 含量稍低于 Pt/C-MFC 阴极，但是 Cu 2O/rGO-
MFC 阴极 EPS 和 PS 含量明显高于 Pt/C-MFC。钱九
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州等 [45] 研究表明，PS 可加速 NO 3 -N 的还原，瞬间
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提高 NO 2 -N 的积累，这也解释了 Cu 2O/rGO-MFC 中
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NO 2 -N 的积累量高于 Pt/C-MFC 的原因；又由于 EPS
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可以作为缓冲物质来减少体系中 NO 2 -N 对细菌的毒
害作用 [46] ，所以 Cu 2 O/rGO-MFC 的脱氮速率并未受
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到 NO 2 -N 积累量的影响。
采用 EEM 对 EPS 进行定性和定量分析。图 10
为 Pt/C-MFC 和 Cu 2O/rGO-MFC 阴极微生物的 EEM 谱
图，表 2 为 PARAFAC 模型分析结果。由图 10 和表 2
可知，Pt/C-MFC 阴极有 3 个荧光组分，组分 C1 有 1
个最大激发波长（λ max=280 nm）和 1 个最大发射波长
（λ e=330 nm），判断此组分为类色氨酸。组分 C2 有 1
个激发波长（λ max =285 nm）和 2 个发射波长（λ e =
310/360 nm），判断此组分为类酪氨酸。组分 C3 有 2
个激发波长（λ max =260/350 nm）和 1 个发射波长
（λ e =455 nm），判断此组分为类腐殖质。Cu 2 O/rGO-
MFC 阴极也具有以上 3 种组分，Cu 2O/rGO-MFC 阴极
中 C2 和 C3 荧光强度（FI=4380、519）稍低于 Pt/C- MFC
（FI=4400、569），但 C1 荧光强度（FI=6509）明显
强于 Pt/C-MFC（FI=6311）。其中，C1 和 C2 均属于内
源类蛋白组分，主要与微生物降解有关 [47] 。蛋白
类组分具有加速电子转移的作用，Cu 2O/rGO-MFC 阴
极中组分 C1 的增加可促进电活性微生物与其他微生
物之间的电子转移 [42,48] 。结合 2.4.1 节结果可知，