微生物光电还原CO2合成乙酸对外电压的响应机制

以TiO₂光阳极结合自养型生物阴极,构建双室微生物光电合成（MPES）系统,以光能作为主要的能量来源,探究MPES还原CO₂合成乙酸的性能及其限制因素.结果表明,光阳极取代纯电化学阳极显著降低了MPES生物阴极对外电压的需求.MPES能持续稳定运行,平均产乙酸速率为（1.18 ±0.11） mmol/（L·d）,法拉第效率为45.75%±3.97%.光阳极驱动阴极产生氢气,推测阴极微生物倾向于利用氢转移的方式来进行电子传递.外加电压通过影响光阳极的给电子能力从而对MPES的性能产生显著的影响,当外电压从0.4V升高至0.6V时,MPES的电流,乙酸产量和法拉第效率都显著提高,系统的性能主要受限于阳极.当外电压高于0.6V,系统电流,乙酸产量的增速减缓,法拉第效率在外加电压0.8V时达到最大值,随后下降,表明生物阴极的得电子能力已经达到饱和,此时MPES的性能主要受限于阴极.作为电子传递中间体,H₂的不完全利用是法拉第效率没有随着外电压的增加进一步提升的原因.     

羧基改性阴极对微生物电合成系统产乙酸性能的影响机制

微生物电合成系统(microbial electrosynthesis systems,MESs)可利用微生物将二氧化碳转化为有价化合物,有望实现温室气体的资源化利用,然而,其合成效率仍需进一步提高.本研究通过电化学还原重氮盐反应将特定的官能团—COOH接枝到碳布电极表面,探究改性阴极对于MESs性能的影响.结果发现,经—COOH改性的阴极材料亲水性显著提高,而循环伏安扫描电流变弱. MESs在启动阶段性能差异最大,运行48 h,改性组CA-H、CA-M、CA-L的产氢速率是CK的21. 45、28. 60和22. 75倍;运行120 h,CA-H、CA-M和CA-L的乙酸累积浓度是CK的2. 01、2. 43和1. 44倍. MESs运行324 h后,各阴极的电化学活性无明显差异,生物膜蛋白量无明显差异(～0. 47 mg·cm~(-2)).阴极生物膜的群落结构分析发现,属水平上由Acetobacterium、norank_p_Saccharibacteria和Thioclava占据主导,总相对丰度占到59. 6%到82. 1%;各阴极之间产乙酸功能菌Acetobacterium的相对丰度差别不大(31. 3%～40. 1%),而消耗乙酸的norank_p_Saccharibacteria属在CA-H、CA-M、CA-L和CK的相对丰度分别为:16. 1%、24. 6%、31. 1%和37. 5%.羧基改性阴极对MESs的启动阶段影响较大,可为MESs的快速启动提供新的思路.     

土壤phoC和phoD微生物群落对化肥和有机肥配施生物炭的响应

土壤微生物对土壤养分转化具有重要的影响,phoC和phoD作为编码磷酸酶的功能基因,其为检测环境中微生物种类、丰度和群落结构组成提供了有效手段,而研究化肥和有机肥配施生物炭处理下植株根际和非根际土壤phoC和phoD微生物群落多样性变化的规律,又可为生物炭的农业利用提供科学依据.以玉米秸秆和稻壳为供试材料,采用盆栽试验的方法,设置对照（CK）、传统施肥（F）、化肥+20t·hm^-2稻壳生物炭（FP）、化肥+10 t·hm^-2稻壳生物炭+10 t·hm^-2玉米生物炭（FPM）、有机肥+20 t·hm^-2稻壳生物炭（PP）和新鲜有机肥+20 t·hm^-2稻壳生物炭（NPP）6个处理,通过采用T-RFLP和荧光定量PCR技术解析根际和非根际土壤phoC和phoD的群落结构,阐明phoC和phoD对添加生物炭的响应特征.结果表明:（1）根际土和非根际土中,phoD的群落结构比phoC更复杂,化肥和有机肥配施生物炭后增加phoC的末端限制性片段数;（2）化肥和有机肥配施生物炭使得非根际土...     

铁酸锰活性炭阴极催化剂的制备与对微生物燃料电池产电性能的影响

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阴极的氧化还原反应能力对MFC的产电性能起着至关重要的作用,因此,本研究制备了铁酸锰/活性炭(MnFe₂O₄/AC)并对其进行材料学表征,研究其作为MFC空气阴极催化剂时产电和污水处理效果.研究表明,MnFe₂O₄和AC物质的量比为1:3时MFC电功率密度最高,达302.7mW/m².在峰值电压附近维持时间长达200h,维持时间是传统Pt/C催化剂MFC的4倍,库伦效率达到17.45%.在催化剂重复利用实验中发现,在相同的运行时间内,采用Pt/C催化剂的MFC电压下降明显,而采用MnFe₂O₄/AC催化剂的MFC电压基本保持稳定,证明了MnFe₂O₄/AC催化剂良好的循环稳定性.污水处理效果方面,MnFe₂O₄和AC物质的量比为1:3时处理效果最好,COD去除率达74.66%.因此,MnFe₂O₄/AC催化剂制备简单、价格低廉、电化学性能稳定,在提高MFC产电持久性方面具有实际意义.     

微生物电解系统生物阴极的硫酸盐还原特性研究

针对传统硫酸盐生物还原方法中供氢体系能耗大和氢气利用率低的特点,构建双极室微生物电解系统(microbial electrolysis system,MES),研究了微生物利用阴极作为电子供体去除废水中硫酸盐及电子利用的特性.外加电压为0.8 V时,MES生物阴极在36 h内SO2-4平均去除量为109.8 mg·L-1,平均还原速率可达73.2 mg·(L·d)-1.运行时MES的最高电流密度为50~60 A·m-3,电子回收率为(43.3±10.7)%,约90%的电子被用于还原SO2-4.微生物利用MES阴极产生的H2作为电子供体还原SO2-4,主要还原产物为溶解态的S2-和气态的H2S,还原过程主要发生在前12 h.对MES施加不同外加电压的实验显示,外加电压为0.8 V时的SO2-4去除率和电荷量都比0.4 V时高;但0.4 V情形下MES的电子回收率可达到70%,且周期结束时阴极H2低于检出限,推测微生物可以直接利用阴极的电子从而提高了能量效率.实验结果最终表明,微生物可利用MES的阴极进行代谢去除废水中的SO2-4,阳极微生物产生电子降低了系统能耗,这为含硫酸盐废水的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

不同外电压下自养型生物阴极还原硫酸盐的性能及生物膜群落响应

微生物电解系统(microbial electrolysis system,MES)生物阴极还原去除环境污染物的过程中,外加电压的大小可显著影响其性能,阴极生物膜作为去除污染物的关键因子,其对外电压改变的响应尚属未知.本研究构建了双室MES,比较外电压为0.4、0.5、0.6、0.7和0.8 V情形下自养型生物阴极的硫酸盐还原特性及生物膜胞外聚合物和群落结构特征.结果表明,MES的输出电流、周期电荷量、COD去除量与外加电压(0.4~0.8 V)呈正相关关系;外加电压为0.4~0.8 V时,硫酸盐还原量随着电压的升高先升高后降低,在0.7 V时获得最大硫酸盐还原速率[78.9 g·(m3·d)-1]和最高S2-出水浓度(31.9 mg·L~(-1)±2.2 mg·L~(-1));MES的电子回收率最高值为41.8%,推测产氢可能是电子损失的一个途径.阴极生物膜的聚多糖和蛋白量随外电压的升高而增加,0.8 V电压下的生物量比0.4 V提高了70%.阴极生物膜群落结构分析发现,Proteobacteria在门水平分布中占主导,Desulfovibrio在属水平分布中占主导,Desulfovibrio的相对丰度并未随着外加电压的升高发生明显的波动,表明Desulfovibrio在利用阴极呼吸代谢方面具有独特的优势.种水平分析发现,Desulfovibrio magneticus RS-1和s_unclassified_g_Desulfovibrio随着外电压的改变呈现相反的变化趋势.     

添加生物炭对琼北地区双季稻田生物固氮的影响

生物固氮有助于植物对土壤中有效氮的利用,减少农业生态系统中无机氮肥的使用.生物炭可以通过其特殊物理结构调节土壤理化性质,提高土壤微生物的丰度和活性,然而关于生物炭对水稻土生物固氮方面的研究并未深入了解.试验共设置3个处理：施磷钾肥对照（CK）、当地常规施肥处理（CON）和常规处理配施20 t·hm^-2生物炭（B）,采用qPCR和高通量测序分析固氮基因（nifH）的丰度和群落结构变化,探讨生物炭添加对琼北地区双季稻田土壤固氮微生物的影响.结果表明,相比CK和CON处理,添加生物炭提高了土壤pH和土壤有机碳（SOC）含量以及作物产量.同时nifH基因丰度与土壤pH和SOC呈显著正相关.与CK处理相比,添加生物炭处理增加了nifH基因丰度以及显著改变了早稻季土壤固氮微生物的群落结构,常规施肥处理减少了nifH基因丰度而对固氮微生物群落影响相对较小.施用生物炭使固氮微生物群落优势属发生了变化,地杆菌属（Geobacter）、嗜糖假单胞菌属（Pelomonas）、固氮螺菌属（Azospirillum）、厌氧粘细菌属（Anaeromyxobacter）和铁氧化细菌属（Sideroxydans）等是所有处理中的优势菌属.相比CK处理,生物炭处理显著增加了嗜糖假单胞菌属的相对丰度,而常规施肥处理增加了地杆菌属的相对丰度.结果表明,生物炭添加具有一定的减肥潜力,为减少琼北地区稻田氮肥施用,提高氮肥利用率提供了理论依据.     

RSI-MO工艺对沼气脱硫的影响及微生物种群分析

为实现剩余污泥厌氧消化沼气原位深度脱硫，采用向反应器中嵌入最佳剂量（20g/L）废铁屑并引入微氧条件，构建废铁屑-微氧（RSI-MO）消化工艺，探索其对原位脱硫的影响.研究分7阶段，P1阶段对照组，P2阶段加入RSI，P3~P7阶段逐步提高O₂剂量.结果表明，MO效应激发硫氧化菌（SOB）生物脱硫，促发RSI化学腐蚀而生成铁硫沉淀物.P1~P7阶段，RSI与MO交互作用可促进水解酸化，但O₂剂量过高会抑制产甲烷微生物活性，造成VFAs积累.为研究RSI与MO交互作用对微生物群落多样性和丰度的影响，取P1、P2和P6阶段污泥样品进行高通量测序发现，RSI投加有益于产氢型微生物（Syntrophobacter fumaroxidans）、产乙酸型微生物（Roseomonas lacus、Sporomusa silvacetica）、产甲烷微生物（Methanoculleus palmolei、Methanolinea tarda、Methanosarcina mazei、Methanosaeta concilii、Methanococcus aeolicus）的生长.MO效应可激活SOB的活性，强化生物脱硫作用.     

化学氧化剂对水华蓝藻的控制研究

对比了过氧化氢（H₂O₂）、高铁酸钾（K₂FeO₄）和过碳酸钠（Na₂CO₄）3种氧化剂对自然水体中群体蓝藻生长和光合活性的影响.结果发现,3种氧化剂对蓝藻均有快速的抑制效应,且随着氧化剂浓度的增加抑制效果增强.相同氧化剂浓度下,H₂O₂对水华蓝藻的去除能力强于K₂FeO₄和Na₂CO₄,对蓝藻光合系统Ⅱ的最大光量子产量（F_v/F_m）和有效光量子产量（F_v'/F_m'）的抑制效果也更显著.H₂O₂对不同浓度水华蓝藻的控制实验结果表明,初始藻细胞浓度对H₂O₂控藻效果影响较大,细胞密度越大,H₂O₂降解率增加,抑藻效果急剧下降.当初始藻密度为10μg/L和100μg/L,5mg/L H₂O₂的48h降解率分别为64.9%和97.5%,对藻细胞F_v/F_m的抑制率分别为10%和1%.因此,实施H₂O₂控制蓝藻水华的措施应该尽量在蓝藻水华形成早期,即藻密度较低的时候使用.     

硫源对反硝化脱氮性能及微生物群落结构的影响

为探究不同硫源驱动下硫自养反硝化系统的脱氮性能及各自优缺点，该文采用UASB反应器研究进水NO₃^--N浓度、水力停留时间对负载型单质硫(PFSF)自养反硝化系统和硫代硫酸钠(Na₂S₂O₃)自养反硝化系统脱氮性能的影响，并从微生物群落结构角度分析2个系统种间协同竞争作用。结果表明：(1)相同条件下，Na₂S₂O₃自养反硝化系统脱氮性能、抗负荷能力、稳定性优于PFSF自养反硝化系统。(2)Na₂S₂O₃系统和PFSF系统优势菌属均为Thiobacillus和Sulfurimonas，自养脱氮菌属丰度分别为49.92%和47.54%,Na₂S₂O₃系统微生物群落结构比PFSF系统更复杂。(3)两系统均具有稳定的微生态平衡，Na₂S₂O_...     

铁锰改性生物炭对水稻镉吸收和土壤微生物群落的影响

通过盆栽试验,研究铁锰改性生物炭(BC_FM)对水稻Cd吸收和土壤微生物群落结构的影响.结果表明,BC_FM可有效降低水稻对Cd的吸收,改变土壤微生物群落结构.与对照相比,添加0.5～2g/kg BC_FM后土壤有机质、土壤阳离子交换量、土壤总Fe和总Mn无显著变化;而添加4g/kg BC_FM后,土壤有机质、土壤阳离子交换量、土壤总Fe和Mn含量分别显著(P<0.05)提高了13.6%、13.58%、5.0%和12.1%,同时土壤中有效态Cd含量显著(P<0.05)降低67.9%,且水稻茎、叶和糙米中Cd含量分别显著(P<0.05)降低74.3%、44.9%和84.9%.添加BC_FM后,水稻根际土壤Firmicutes、Proteobacteria等门水平物种的相对丰度提高,而Bacteroidota、Patescibacteria、Desulfobacterota和Nitrospirae等门水平物种的相对丰度降低.热图分析结果表明,BC_FM可...     

改性稻壳生物炭对水中反硝化过程和N2O排放的影响

为探究H₂O₂改性和NaBH₄改性稻壳生物炭(BC-H₂O₂和BC-NaBH₄)对反硝化过程和N₂O排放的影响及机理,在制备并测定BC-H₂O₂和BC-NaBH₄理化性质及其表面含氧官能团含量基础上,将未改性生物炭(BC)、BC-H₂O₂和BC-NaBH₄以1%(w/V)的比例分别加入含有厌氧反硝化细菌(DB)的培养体系,开展DB去除模拟废水中低浓度硝酸盐(约10mg/L,以N计)的室内培养实验.结果表明,H₂O₂改性增加了生物炭表面的羧基含量,而NaBH₄改性增加了生物炭表面的内酯基和酚羟基含量.另外,傅立叶变换红外光谱分析表明,与BC相比,BC-H₂O₂的C=O含量明显增加.DB+BC-H     

CaO2促进MFC同步处理剩余污泥和六价铬废水的效能

为了提高剩余污泥降解效能和废水中六价铬还原效能,研究了CaO₂对微生物燃料电池同步处理剩余污泥和六价铬废水的影响,考察了不同CaO₂投加量下微生物燃料电池阳极剩余污泥的降解效能、阴极六价铬的还原效能及产电效能.结果表明,当阳极室CaO₂投加量分别为0,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8gCaO₂/gVSS时,运行120h后,阴极六价铬还原率分别为73.38%,78.91%,99.47%,97.70%,97.04%,96.37%,运行30d后,阳极剩余污泥TCOD降解率分别为72.4%,76.9%,81.0%,78.2%,75.7%,74.2%.证明投加CaO₂后,六价铬还原率和TCOD降解率都有提高.当投加量为0.2gCaO₂/gVSS时处理效能最好,输出电压最大为1.15V.六价铬还原率提高了36.08%,TCOD降解率提高了11.88%.此外,投加CaO₂后微生物燃料电池电化学活性有所提高,表明CaO₂投加对电池电子传递过程有促进作用.结果说明CaO₂有利于提高对微生物燃料电池同步处理剩余污泥和六价铬废水效能.     

磷化氢生物净化体系及抑制作用机理

在PH₃生物净化体系中添加呼吸链电子传递抑制剂,对比分析微生物生长代谢、磷的迁移转化、活性氧（ROS）产生及氧化酶活性等变化规律.当鱼藤酮或抗霉素A分别添加至R1、R2PH₃生物反应器后,其微生物体O₂^-·含量在运行时间14~17d期间的平均值分别上升至0.68,0.96mmol/g,明显高于空白对照组R0反应器.除自由基O₂^-·外,另一类型的活性氧HO·也存在于PH₃净化系统中;受累积的活性氧影响,生物体内丙二醛（MDA）含量处于较高水平,PH₃净化效率通常不超过75%,添加抑制剂的R1与R2反应体系在15~17d期间PH₃平均去除率分别下降至65.1%、59.5%.pH值、ROS含量以及氧化酶活性等因素均明显影响PH₃生物净化效果,当Fe³⁺、Cu²⁺、Mg²⁺等金属阳离子迁移转运至微生物体内时,超氧化物歧化酶（SOD）与过氧化氢酶（CATase）活性得以不同程度的增强,可缓解活性物质O₂^-·或HO·导致的氧化胁迫作用,PH₃净化效能得以适度提升.     

γ-Al2O3酸性修饰稀土尾矿NH3-SCR脱硝性能

为增加脱硝催化剂的酸性位点和比表面积,以稀土尾矿为活性主体,通过物理球磨方式添加γ-Al₂O₃,制得NH₃-SCR催化剂,脱硝温度为100~400℃.结果表明：原尾矿脱硝活性为7.6%,γ-Al₂O₃的脱硝活性为9.4%,稀土尾矿添加50%γ-Al₂O₃脱硝活性达到了64.8%,即添50%γ-Al₂O₃后加极大程度地提高了尾矿的脱硝活性.XRD实验结果表明：Al₂O₃不会与尾矿成分发生反应生成新的物质.SEM实验结果表明：当添加γ-Al₂O₃低于50%时,γ-Al₂O₃均匀分散在尾矿表面,当添加65%γ-Al₂O₃和80%γ-Al₂O₃时,γ-Al₂O₃发生团聚,分散性较差.NH₃-TPD实验结果表明：添加γ-Al₂O₃为脱硝催化剂增加酸性位点,但是当添加γ-Al₂O₃过低时（15%、35%）,吸附NH₃量不足,催化反应进行不完全.BET实验结果表面：添加γ-Al₂O₃可以增加尾矿的比表面积.     

介孔炭基复合阴极的制备及其产H2O2性能研究

近年来,气体扩散电极因可以使氧气/空气从外部供应到阴极表面,而不需要在电解质中溶解,在提高H₂O₂的电化学合成效率方面得到了广泛的关注。该文以介孔炭为催化层材料,购买的商业碳黑和石墨作为扩散层材料制备电极。从产H₂O₂量和电流效率可以看出,当催化层为介孔炭且与PTFE乳液的比例为2∶1,扩散层为碳黑且与PTFE乳液的比例为1∶3时,在鼓气速率为18 L/h、电解质为200 mL 0.5 mol/L的Na₂SO₄溶液、电流密度为10 m A/cm²、初始p H值为11.0的条件下,能高效生成H₂O₂,60 min产H₂O₂量为47 mmol/L,且制作的空气扩散电极在数次使用之后,仍能保持良好的产H₂O₂能力。     

生物炭对MSL污水处理及微生物群落结构的影响

为进一步提高多级土壤渗滤(MSL)系统对污染物的去除性能,通过对比不同形状土壤模块(方形结构和U形结构)的MSL系统,典型污染物去除率及微生物群落结构,探究生物炭对MSL系统污染物去除机理的影响.实验结果表明,在不同水力负荷下,生物炭可显著提高MSL系统对污染物的平均去除率(P<0.05),并表现出快速启动与抗冲击负荷能力,对COD_Cr、TP、NH₃-N、TN的平均去除率为87.74%、96.23%、97.65%、89.38%;U形结构可提高MSL系统对COD_Cr、TP、NH₃-N、TN的平均去除率,但与方形结构无显著性差异(P>0.05)(TP除外);生物炭提高了MSL系统中氨氧化细菌以及反硝化菌属的相对丰度,强化了系统对氨氮的去除;U形结构提高了亚硝酸盐氧化细菌的相对丰度,使脱氮过程更加顺利.因此,生物炭通过调节MSL系统的微生物群落结构特征、改善系统水分运动状态,增强了系统对典型污染物的去除能力与抗冲击负荷的能力.     

自支撑阴极用于宽pH域原位产H2O2及其耦合UV降解卡马西平

阴极电催化实现宽pH域原位产H₂O₂颇具挑战性,但在高级氧化领域具有吸引力.为克服传统芬顿及电芬顿技术中反应pH的限制,以Cd作为牺牲金属,以碳布为基底,通过煅烧成功合成了一种可在宽pH （3～10）条件下,均能原位电催化合成H₂O₂的自支撑阴极氮掺杂碳材料[X/N@C-CC,X=550、750、950 （煅烧温度）],并在此基础上,通过UV活化H₂O₂产生氧化活性物种对卡马西平（CBZ）进行降解.结果表明：（1）通过煅烧法制备的阴极材料具有高氮掺杂量,煅烧温度对其氮掺杂量及种类有着较大影响,在最佳煅烧温度750℃条件下,氮含量为8.89%,且以吡啶氮和石墨氮形式存在.此外,煅烧温度对该阴极材料氧含量无明显影响,其表面均含有C=O、—COOH官能团;（2）催化材料的主要活性位点为吡啶氮、石墨氮以及—COOH等含氧官能团,且含氧官能团的存在,使其在碱性pH条件下亦有较好的电催化产H₂O₂性能;（3）在最佳条件下,7...     

自支撑阴极用于宽pH域原位产H2O2及其耦合UV降解卡马西平

阴极电催化实现宽pH域原位产H₂O₂颇具挑战性,但在高级氧化领域具有吸引力.为克服传统芬顿及电芬顿技术中反应pH的限制,以Cd作为牺牲金属,以碳布为基底,通过煅烧成功合成了一种可在宽pH （3～10）条件下,均能原位电催化合成H₂O₂的自支撑阴极氮掺杂碳材料[X/N@C-CC,X=550、750、950 （煅烧温度）],并在此基础上,通过UV活化H₂O₂产生氧化活性物种对卡马西平（CBZ）进行降解.结果表明：（1）通过煅烧法制备的阴极材料具有高氮掺杂量,煅烧温度对其氮掺杂量及种类有着较大影响,在最佳煅烧温度750℃条件下,氮含量为8.89%,且以吡啶氮和石墨氮形式存在.此外,煅烧温度对该阴极材料氧含量无明显影响,其表面均含有C=O、—COOH官能团;（2）催化材料的主要活性位点为吡啶氮、石墨氮以及—COOH等含氧官能团,且含氧官能团的存在,使其在碱性pH条件下亦有较好的电催化产H₂O₂性能;（3）在最佳条件下,7...     

染色残液电化学处理碳素阴极材料性能比较

为实现染色残液的高效处理及废水回用,鉴于染色残液良好的导电性,选用电化学处理技术,以模拟活性红X-3B染色残液为研究对象,在钌铱形稳电极为阳极和合适的电解条件下,比较石墨板、石墨毡、炭毡、ACF（活性炭纤维毡）、碳纤维电极〔CFF（碳纤维布）、CFB（碳纤维刷）〕等碳素阴极材料的电化学处理效能.结果表明:碳素阴极材料可实现染色残液的完全脱色,活性红X-3B的降解过程符合一级反应动力学特征,其中CFF为阴极时COD_Cr去除率达到86.37%,一级动力学反应常数为0.010 3 min-1,是石墨毡（0.007 3 min-1）的1.4倍.相比于石墨板电极,CFB显示出优异的二电子氧还原和产H₂O₂能力,单位面积产H₂O₂的浓度为10.40 μmol/L,是石墨板（1.08 μmol/L）的9.7倍,产生的H₂O₂导致活性红X-3B的降解,30 min内实现完全脱色.循环伏安曲线表明,碳纤维电极（包括CFF和CFB）的析氧电位明显高于其他电极,可有效抑制析氧副反应,提高有机污染物降解过程中的电催化效率,有利于降低能耗.研究显示,碳纤维可作为阴极材料应用于电化学处理染色残液,具有良好的稳定性.