Page 193 - 《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
526。其中，Chao1 指数和 Shannon 指数可以评价微生
物菌落的丰度和多样性 [49] 。Cu 2O/rGO-MFC 阴极的
Chao1 指数和 Shannon 指数分别为 567.14 和 3.61，均
低于 Pt/C-MFC（570.94 和 3.97），说明相较于 Pt/C 材
料，Cu 2O/rGO 复合材料修饰阴极时，降低了 MFC 阴
极微生物中微生物的丰度和多样性。这可能是由于
Cu 2O 颗粒的抗菌活性，抑制了阴极表面微生物的生
长 [50] 。由此可以推断，Cu 2O/rGO 复合材料修饰阴极
时，可以在 Cu 2 O/rGO 阴极上暴露更多的氧还原活
性位点。
由图 11a 可以发现，在门水平上，MFC 阴极微
生物中优势菌门主要为 Proteobacteria，相对丰度分
别为 48.87%（Pt/C-MFC）和 64.46%（Cu 2 O/rGO-
MFC）。赵婷等 [39] 和 DING 等 [51] 也报道了 MFC 生物
阴极反硝化的优势菌门为 Proteobacteria。Proteobacteria
–
门具有获取能量和降解 NO 3 -N 的功能 [52] ，以上结果
可说明，Cu 2 O/rGO 复合材料的修饰可能引起了产电
脱氮功能性微生物富集。由图 11b 可知，Pt/C-MFC
和 Cu 2 O/rGO-MFC 阴极微生物群落优势纲主要为
Betaproteobacteria 和 Alphaproteobacteria，Pt/C-MFC
阴极 Betaproteobacteria 和 Alphaproteobacteria 的相
对丰度分别为 19.46%和 26.11%；Cu 2 O/rGO-MFC 阴
极 Betaproteobacteria 和 Alphaproteobacteria 的相对
丰度分别为 26.40%和 35.76%，较 Pt/C-MFC 分别增
加了 35.66% 和 36.96% 。 Betaproteobacteria 和
Alphaproteobacteria 纲均属于 Proteobacteria，具有
胞外电子转移能力和反硝化脱氮能力，可将电子移
–
动到细胞外来减少固相电子受体，增加水体中 NO 3 -N
电子受体的竞争优势 [53] ，进一步说明了 Cu 2 O/rGO
复合材料提高了功能性微生物的丰度，进而改善了
MFC 产电脱氮性能。此结果与 2.4.2 节结果一致。
阴极材料对 MFC 性能的影响，一方面在于材料
电化学活性提高有利于降低电极反应的电子转移阻
力；另一方面在于材料表面形貌改变影响功能性微
生物的附着。本研究发现，Cu 2 O/rGO-MFC 的产电
脱氮性能均高于 Pt/C-MFC。其中，Cu 2 O/rGO 复合
材料改善了碳纤维光滑形貌（图 1a），明显提高了
–
NO 3 -N 还原的活性位点和电子传递通道；Cu 2 O/rGO
阴极表面微生物附着量虽然相对较低，但电化学分
析显示，经 Cu 2 O/rGO 修饰后碳布具有更高的电化
学活性（2.2 节），表明 Cu 2 O/rGO 复合材料可以降
低电极反应的电子转移阻力，并且反硝化酶活性、
EPS 含量和 16S rDNA 测序结果显示，Cu 2 O/rGO-
MFC 的微生物多样性降低，但与反硝化产电过程相
关的酶活性、类蛋白量和功能菌群得以提高，
Cu 2 O/rGO 阴极微生物特性的改善可促进阴极对电
子的消耗，提高阳极传递到阴极的电荷数量，使得
·2559·
Cu 2 O/rGO-MFC 具有良好产电脱氮性能。
3 结论
考察了 Cu 2 O/rGO 复合材料修饰阴极对 MFC 产
电脱氮性能及微生物种群结构的影响。制备的 Cu 2 O/
rGO 复合材料具有大量的介孔结构和良好氧还原性
能，并且 Cu 2 O/rGO 复合材料改善了阴极的电化学
–
性能；当 NO 3 -N 质量浓度为 250 mg/L 时，Cu 2 O/rGO-
MFC 获得的最大平均输出电压（662.54 mV）、最大
2
功率密度（26.27 mW/cm ）、平均库仑效率（32.02%）
分别较 Pt/C-MFC 增加了 36.51%、54.71%和 333.88%；
同时 Cu 2 O/rGO-MFC 的 COD 平均去除率可达到
91.60%，并在 3 h 时完成了 NO 3 -N 的还原，说明
–
Cu 2 O/rGO 复合材料改善了 MFC 的产电脱氮性能；
另外，Cu 2 O/rGO 复合材料也提高了阴极生物膜中 NAR
和 NIR 的活性以及 EPS 的类蛋白组分含量；Cu 2 O/
rGO-MFC 阴极的优势功能菌群为 Betaproteobacteria 和
Alphaproteobacteria 纲，其丰度较 Pt/C-MFC 增加了
35.66%和 36.96%，说明 Cu 2 O/rGO 提高了 MFC 阴
极功能性菌种。本文采用 Cu 2 O/rGO 复合材料修饰
阴极在提高 MFC 产电和废水污染物降解方面具有
理论意义和实践价值。
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