Microbiome characterization of MFCs used for the treatment of swine manure

用于處理豬糞的 MFC 的微生物組表征

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

 

論文摘要

本文研究了兩種不同配置的微生物燃料電池長期處理豬糞的效能及其微生物群落結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)豬糞處理（如厭氧消化）無法有效去除氮元素，而MFC技術能同時去除有機物和氮，并產(chǎn)生電能。研究發(fā)現(xiàn)，兩種MFC系統(tǒng)均能有效去除豬糞中的有機物和氮，但它們的微生物組構(gòu)成因運行條件不同而存在差異。其中，梭菌和地桿菌被鑒定為陽極的主要菌群，分別負責降解復雜有機物和產(chǎn)生電能。陰極則具有最高的微生物多樣性。盡管兩種配置的污染物去除率相近，但產(chǎn)電能力差異顯著（C-1配置為20 mW m?3，C-2配置為2 mW m?3）。本研究首次揭示了處理工業(yè)廢水（豬糞）的MFC系統(tǒng)中的微生物組。

研究目的

本研究旨在通過多學科方法，表征兩種不同MFC配置在處理真實豬糞時的微生物組組成，并將微生物群落結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的營養(yǎng)物去除能力和發(fā)電能力聯(lián)系起來，以填補該領域的認知空白。

研究思路

研究采用對比分析與微生物生態(tài)學相結(jié)合的方法：

 

系統(tǒng)構(gòu)建與運行：設計并長期運行兩種MFC配置（C-1和C-2）。C-1配置將硝化（在外置反應器）和反硝化（在陰極）過程分離；C-2配置則在陰極中實現(xiàn)同步硝化反硝化。

性能監(jiān)測：長期監(jiān)測兩個系統(tǒng)的化學性能，包括化學需氧量（COD）和各類氮化合物（氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽）的去除率，以及產(chǎn)電性能（電壓、電流、功率）。

微生物群落分析：在系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，從各反應器（陽極、陰極、外置硝化反應器）的電極填料上采集生物膜樣品。

多技術表征：運用掃描電子顯微鏡觀察生物膜形態(tài)，通過熒光原位雜交（FISH）和聚合酶鏈反應-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）等技術，分析微生物群落的組成、結(jié)構(gòu)和空間分布。

 

關聯(lián)分析：將獲得的微生物群落數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的運行性能和理化參數(shù)進行關聯(lián)，闡釋微生物功能與系統(tǒng)效能之間的關系。

 

測量的數(shù)據(jù)、研究意義及來源

研究測量了多方面的數(shù)據(jù)：

 

污染物去除性能數(shù)據(jù)：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：有機物（COD）去除速率（約2.02-2.09 kg COD m?3 d?1）和氮去除速率（0.11-0.16 kg N m?3 d?1）。C-1系統(tǒng)實現(xiàn)了完全硝化（效率95%），而C-2系統(tǒng)陰極有亞硝酸鹽積累。

 

研究意義：證明兩種MFC配置都能有效處理豬糞，但氮轉(zhuǎn)化路徑和效率存在差異，這為后續(xù)分析微生物群落差異提供了性能背景。數(shù)據(jù)來自表2。

 

 

電化學性能數(shù)據(jù)：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：陽極電位、陰極電位、庫倫效率（C-1為24%，C-2為5%）和功率密度（C-1為20 mW m?3，C-2為2 mW m?3）。

 

研究意義：直接顯示兩種配置的產(chǎn)電能力差異巨大，提示其內(nèi)部電子傳遞和微生物代謝路徑可能不同。數(shù)據(jù)來自表2。

 

微生物群落組成數(shù)據(jù)（核心發(fā)現(xiàn)）：

 

陽極群落：DGGE圖譜顯示優(yōu)勢條帶單一，鑒定為Clostridium disporicum（一種梭菌）。FISH技術檢測到Geobacter sulfurreducens（地桿菌）的存在。

研究意義：揭示了負責豬糞復雜有機物降解和產(chǎn)電的關鍵功能菌群。C. disporicum 與豬糞底物相關，而 G. sulfurreducens 與發(fā)電相關。DGGE數(shù)據(jù)來自圖2和表3。

 

 

硝化群落：在外置反應器（C-1）中主要硝化菌為Nitrosospira sp.（氨氧化菌）和Nitrobacter alkalicus（亞硝酸鹽氧化菌）。在C-2陰極中，優(yōu)勢氨氧化菌為Nitrosomonas europaea。

研究意義：表明不同的運行條件（如溶解氧、載體）選擇了不同的硝化微生物種群。C-2系統(tǒng)中 N. europaea 的出現(xiàn)可能與亞硝酸鹽積累有關。數(shù)據(jù)來自表3，空間分布見圖3。

 

陰極反硝化群落：陰極生物膜顯示出最高的微生物多樣性，包含擬桿菌門、綠彎菌門和變形菌門等多個菌門的成員。

 

研究意義：反映了陰極作為多種生化過程（反硝化、可能的同步硝化反硝化）發(fā)生的場所，其微生物群落更為復雜。數(shù)據(jù)來自圖2和表3。

 

研究結(jié)論

 

MFC技術可用于有效處理豬糞，同時去除有機物和氮。

陽極微生物組以C. disporicum和G. sulfurreducens為主，分別負責發(fā)酵產(chǎn)酸和產(chǎn)電。

配置方式顯著影響硝化菌群：C-1的完全硝化環(huán)境富集了Nitrosospira sp.和N. alkalicus；而C-2的限氧同步硝化反硝化環(huán)境富集了N. europaea并導致亞硝酸鹽積累。

陰極反硝化群落具有高多樣性，包含多種潛在的自養(yǎng)反硝化菌。

 

盡管污染物去除率相近，但C-1配置的產(chǎn)電性能遠高于C-2，這歸因于陰極配置和離子交換膜選擇的不同。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數(shù)據(jù)的研究意義

在本文中，丹麥Unisense N?O微傳感器被用于測量系統(tǒng)中的氧化亞氮（N?O）濃度。其研究意義可詳細解讀如下：

 

環(huán)境風險監(jiān)測的關鍵工具：N?O是一種強效溫室氣體，其全球變暖潛能是CO?的298倍。在生物脫氮過程中（如硝化和反硝化），可能因中間代謝不完全而產(chǎn)生并排放N?O。使用Unisense N?O微傳感器可以對水體中溶解態(tài)的N?O進行高靈敏度、高選擇性的實時監(jiān)測。

評估MFC脫氮過程的“清潔度”：本研究在方法部分提到對N?O水平進行了分析，并在結(jié)果中明確指出，在C-1配置的陰極出水中未檢測到N?O（表1和結(jié)果3.1部分）。這一數(shù)據(jù)雖然簡潔，但意義重大。它表明在C-1系統(tǒng)的反硝化陰極中，硝酸鹽被完整地還原為了氮氣（N?），而不是停留在N?O這一中間產(chǎn)物階段。這證明了該MFC系統(tǒng)在去除氮污染的同時，沒有產(chǎn)生顯著的溫室氣體副產(chǎn)物，是一項環(huán)境友好的技術。

 

 

支持系統(tǒng)性能的優(yōu)越性：Unisense傳感器提供的N?O未檢出的數(shù)據(jù)，為C-1系統(tǒng)的整體環(huán)境效益提供了重要支撐。結(jié)合其較高的產(chǎn)電能力，說明C-1配置不僅在污染物去除和能源回收方面有效，在控制二次環(huán)境風險方面也表現(xiàn)優(yōu)異。

 

綜上所述，使用丹麥Unisense電極測量N?O數(shù)據(jù)，在本研究中起到了“環(huán)境安全驗證”的作用。它通過精確的定量分析，證實了所研發(fā)的MFC系統(tǒng)是一條綠色、可持續(xù)的豬糞處理路徑，避免了“解決了污染，卻加劇了氣候變化”的困境，凸顯了在評估新型環(huán)境技術時進行全面環(huán)境影響監(jiān)測的重要性。