Page 228 - 《精细化工》2023年第12期
P. 228

·2770·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 40 卷

                 其中，梭菌纲和芽孢杆菌纲属于厚壁菌门                            发现，猜测可能是阳极室的空气暴露或扩散阻碍了
            （Firmicutes），结合绝对丰度分析，梭菌纲的数量                       它们生长，或者它们在系统中被更有能力的细菌所
            在 3 组 MFC 中均为占比最高的菌纲，梭菌纲可以在                        淘汰  [31] 。
            厌氧环境下将有机物分解为小分子物质                   [30] ，属于水          螺旋体菌纲属于螺旋体门（Spirochaetes），常
            解细菌，梭菌纲的相对丰度在 ML1、ML2、ML3 的                        出现于厌氧发酵系统中          [33] ，说明鸡粪发酵液携带螺
            微生物中分别占比 48.75%、49.60%、61.11%，在                    旋体菌纲进入了 MFC 阳极，并且螺旋体菌纲在 MFC
            MS1、 MS2、 MS3 上梭菌 纲相 对丰度 分别 占 比                    阳极室厌氧环境下继续生长。经过对菌属分析发现
            38.88%、50.98%、40.04%。结合绝对丰度值发现，                    （图 7c），芽孢八叠球菌属在 MS2 和 MS3 中相对丰
            ML3 和 ML2 中梭菌纲数量相近且均远高于空白组，                        度占比很高，芽孢八叠球菌属属于芽孢杆菌纲，可
            证明将 Fe 3 O 4 @生物炭投加在 MFC 阳极室溶液中和                   以将硝酸盐还原成亚硝酸盐，在反硝化过程氮的转
                                                               化部分起到非常重要的作用，可见纳米 Fe 3 O 4 可以
            将 Fe 3 O 4 @碳毡作为 MFC 阳极电极两种纳米 Fe 3 O 4
            介入方式都有效促进了阳极室水解细菌的生长富                              有效地刺激反硝化菌在碳毡上生长富集并发挥氮转
            集，而且梭菌纲富集生长的位置随着纳米 Fe 3 O 4 存                      化作用。但 WANG 等      [25] 在文献中提到的红假单胞菌
            在位置的变化而变化，两种纳米 Fe 3 O 4 介入方式结                      属（Rhodopseudomonas）、热单胞菌属（Thermomonas）、
            果均促进了沼液 MFC 有机物的水解，从而为 MFC                         荸荽杆菌（Diaphorobacter）等反硝化细菌在本实验

                                                               MFC 阳极室中未发现，猜测可能是鸡粪发酵液的有
            提供了更多电子，与本文 2.1 节处分析的纳米 Fe 3 O 4
            介入后 MFC 产电性能提高的结果一致。拟杆菌纲和                          机成分复杂或者是 MFC 接种物使用不同所致。反应
            黄杆菌纲属于拟杆菌门（Bacteroidetes），拟杆菌门                     结束后，实验过程中对阳极室取样时进入的少量 O 2
            也属于水解细菌，能将有机污染物(如碳水化合物和                            早已消耗殆尽，所以在对反应后阳极室碳毡及出料
            蛋白质)降解为小分子，使得拟杆菌门广泛存在于水                            液的微生物分析时并未发现硝化细菌。
            环境和活性污泥中         [31] 。其中，拟杆菌纲主要起到降
            解大分子多糖、纤维素等的作用               [30] 。结合相对丰度          3   结论
            与绝对丰度值发现，拟杆菌纲在 ML1（9.84%）和
                                                                  （1）通过将 Fe 3 O 4 @碳毡作为 MFC 阳极电极和
            MS1（9.91%）的微生物中数量占比最高，在 ML2
                                                               将 Fe 3 O 4 @生物炭直接投加于 MFC 阳极室探究纳米
            （7.36%）、MS2（6.32%）、ML3（6.68%）及 MS3
                                                               Fe 3 O 4 对以鸡粪发酵液为基质的沼液 MFC 的影响。
            （7.51%）的微生物中数量占比偏低，说明纳米 Fe 3 O 4
                                                               研究发现，两种纳米 Fe 3 O 4 介入方式下的 MFC 产电
            不论是以 Fe 3 O 4 @碳毡作为 MFC 阳极电极还是向
                                                               最高值分别达到 699 和 707 mV，最大功率密度分别
            MFC 阳极室中投加 Fe 3 O 4 @生物炭的介入方式参与
                                                                                 2
                                                               为 700 和 578 mW/m ，比无纳米 Fe 3 O 4 介入的空白
            本实验的 MFC 产电过程，都会抑制拟杆菌纲的生长。
                                                               MFC 实验提高了 43%和 31%。
                 γ-变形菌纲、β-变形菌纲、α-变形菌纲和 δ-变形
                                                                  （2）通过对有机物降解分析发现，将 Fe 3 O 4 @
            菌纲属于变形菌门（Proteobacteria）（图 7a），研究
            证实 γ-变形菌纲和 β-变形菌纲属于电活化细菌                  [32] ，   碳毡用作阳极碳毡的 MFC 的 COD 降解率最高，达
                                                                                               +
                                                               到 51.76%，反应后 3 组 MFC 的 NH 4 -N 含量均大幅
            在电子传递过程中发挥着很大作用。结合样品相对
                                                               度降低，降解率都在 80%以上，而且投加 Fe 3 O 4 @
            丰度和绝对丰度值，ML2 和 MS2 的 β-变形菌纲数
                                                                                           –
                                                                                  –
            量在各自微生物组成中占比最高，其次是 ML3 和                           生物炭的 MFC 中 NO 3 -N 与 NO 2 -N 含量最高，反应
                                                                                   –
                                                                         –
            MS3，证明纳米 Fe 3 O 4 的介入促进了部分微生物参                     结束后 NO 3 -N 与 NO 2 -N 含量从开始的（731.57±
            与产电过程，尤其是以 Fe 3 O 4 @碳毡作为 MFC 阳极                   23.86） mg/L 增大到了（1670.15±27.33） mg/L，
            电极的方式介入沼液 MFC 反应，碳毡表面形成的生                          与反应前基质相比含量增加了 56%。
            物膜与纳米 Fe 3 O 4 协同作用富集电活化细菌，增强                         （3）对 MFC 阳极室反应后出料液和阳极碳毡
            了电活化菌纲 β-变形菌纲在 MFC 反应中的电子传                         微生物测序分析可知，纳米 Fe 3 O 4 介入下的 MFC 菌
            递行为；纳米 Fe 3 O 4 与部分电活化细菌间相互作用                      群结构合理，富集了主要功能细菌梭菌纲、β-变形
            行为较弱，例如：γ-变形菌纲在电池 ML3 和碳毡                          菌纲、芽孢八叠球菌属，纳米 Fe 3 O 4 对沼液 MFC 产
            MS2 各自微生物组成中数量分别占比最低。δ-变形                          电性能提高和有机成分降解均发挥了不同程度的促
            菌纲在阳极碳毡上数量较多，尤其是 MS2 和 MS3，                        进作用。其中，主要的水解细菌梭菌纲在直接投加
            推测 δ-变形菌纲属于电活性细菌，并在碳毡上参与                           Fe 3 O 4 @生物炭的 ML3 和将 Fe 3 O 4 @碳毡作为阳极电
            了电子传递过程。此外，地杆菌属（Geobacter）等                        极的 MS2 中数量占比最高；ML2 和 ML3 中电活化
            典型的电活化细菌和专性厌氧菌在本次实验中并未                             菌 β-变形菌纲数量占比最高，是 ML2 和 ML3 产电
   223   224   225   226   227   228   229   230   231   232   233