微生物-光-电化学耦合技术降解污染物和回收能源的研究进展

微生物电化学技术能同时实现污染物去除和能量回收，但存在污染物去除种类有限及产能效率低的局限，近几年将可再生的太阳能引入微生物电化学技术的微生物-光-电化学耦合技术应运而生。本文简要介绍了微生物-光-电化学耦合技术的发展背景和研究现状，对该技术现有的耦合形式进行分类，并对各种形式的耦合机理进行详细的阐释，最后对其未来的发展进行了展望。     

SBR反应器中有机物去除与硝化反硝化过程INT-ETS活性变化

通过检测不同进水氨氮浓度和有机物浓度下的SBR工艺系统的INT-ETS活性,研究了SBR工艺去除有机物与硝化反硝化过程中污泥生物活性的变化规律.结果表明,INT-ETS活性可以有效地表征SBR工艺系统的生化反应进程;SBR工艺一个反应周期内,有机物降解、硝化和反硝化阶段生物活性依次降低;当进水COD为300 mg/L,氨氮为40 mg/L时,系统的INT-ETS活性从232.59 mg/(g·h)下降到190.65 mg/(g·h),最终降至113.88 mg/(g·h);伴随有机物的去除和硝化反硝化的进程,INT-ETS活性一般会出现特征点,预示着不同反应阶段的开始与结束;通过不同进水氨氮浓度(14.5 mg/L 和42.0 mg/L)和有机物浓度(COD为293 mg/L 和685 mg/L)的试验,发现运行条件的变化并未明显改变SBR系统的INT-ETS活性变化规律,但会影响INT-ETS活性曲线上标志不同反应阶段的特征点出现时间.     

苯酚对活性污泥活性及微型动物群落结构的影响

为了探究苯酚对污泥活性及微型动物群落结构的影响,以SBR工艺的活性污泥为研究对象,分析苯酚对污泥TTC-ETS活性、INT-ETS活性和微型动物群落结构及其动态变化的影响.结果表明,污泥TTC-ETS活性较之INT-ETS活性能够更有效表征有机毒害物质苯酚对污泥活性的影响,且随着进水苯酚浓度的增大,苯酚对污泥活性的抑制越明显:进水浓度在50mg·L-1时,苯酚对污泥活性的抑制率为(20.75±10.43)%.进水苯酚浓度为100 mg·L-1时,抑制率为(39.73±26.92)%,且波动较大.在300 mg·L-1进水运行后期,苯酚对污泥活性的抑制率稳定在40%左右;苯酚对活性污泥微型动物群落结构的影响随浓度的增大而增大,且对不同微型动物类群影响不同:在低浓度苯酚进水条件下,只有单个微型动物类群(有壳变形虫)受到明显的抑制,而当浓度增大至100 mg·L-1和300 mg·L-1时,对多个微型动物类群(固着型纤毛虫、有壳变形虫、匍匐型纤毛虫、肉食性纤毛虫等)产生抑制,对少数类群(鞭毛虫、线虫等)产生促进作用;苯酚影响下的污泥活性与微型动物之间存在一定的关联性,针棘匣壳虫(Centropyxis aculeata)、多变斜板虫(Plagiocampa mutabilis)等可作为含酚废水处理过程中污泥活性低的指示生物,湖累枝虫(Epistylis lacustris)、软波豆虫(Bodo lens)、跳侧滴虫(Pleuromonas jaculans)等可作为污泥活性高的指示生物.     

微生物燃料电池恒电流预培养阳极生物膜分析表征

阳极性能是影响微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)性能的关键因素之一,同时阳极的接种挂膜过程是影响微生物燃料电池启动效率的关键因素.因此,本课题组提出了预培养阳极作为微生物燃料电池的一种新型阳极的概念,在三电极体系下,通过外加恒定电流预培养阳极,在不同条件下对阳极表面进行电化学选择和生物膜驯化以丰富生物膜结构和厚度.结果表明,阳极的性能与预培养电流大小密切相关,预培养阳极CF-4i(外加4 A·m-2电流密度)通过循环伏安法、塔菲尔曲线、电化学阻抗谱测试,性能好于其他测试组及对照组,装配阳极CF-4i的微生物燃料电池能实现最大功率密度968.20 m W·m-2,是对照组的2.53倍.同时,通过共聚焦显微镜观察发现,生物膜大体分两层,外层的活细胞及内层的死细胞,外层活细胞长在内层死细胞之上.这种结构分布表明,阳极生物膜中的活细胞部分绝大多数都分布于生物膜的外侧,而不是均布于整个阳极生物膜中;同时这也表明不是整个阳极生物膜都具有新陈代谢活性,但死亡的细胞可以继续积累在电极表面附近,活的外层膜负责电流的产生,而内层的死细胞作为一种导电基质.     

微生物合成纳米钯强化反硝化选择性脱氮

为强化生物反硝化选择性脱氮,利用普通的反硝化污泥合成生物钯纳米粒子（Bio-PdNPs）,探究了不同Bio-PdNPs负载量（0、5、10 mg·L^-1,分别记为Bio-PdNPs-0、Bio-PdNPs-5和Bio-PdNPs-10）对生物反硝化的影响.结果表明,适量钯的负载（Bio-PdNPs-5）可使硝酸盐去除率由67.85%提高到94.00%（C/N=7,5 h）,对氮气的选择性由77.30%提高到97.46%.而负载过量的钯（Bio-PdNPs-10）会抑制生物反硝化,但其对N₂的选择性仍然高达90.01%,这对减少温室气体N₂O的排放具有重要意义.机理分析表明,Bio-PdNPs介导的反硝化体系以丁酸型发酵和混合性发酵为主,产生的氢气通过在钯表面迅速分解形成Pd［H］催化反硝化,提高对N₂的选择性,Bio-PdNPs促进了反硝化过程电子传递及电子传递介质（细胞色素c）的分泌,电子传递体系活性（ETSA）由570.37 μg·mg^-1·h^-1提高到647.22 μg·mg^-1·h^-1.     

Hg2+对萍蓬草光合膜超微结构及功能的影响

研究了不同浓度的Hg2+对萍蓬草离体类囊体膜的光合电子传递活性、吸收光谱、荧光发射光谱、多肽组分的影响及超微结构的毒害.结果表明,Hg2+对2个光系统的电子传递活性均有抑制作用,且对PSⅠ的抑制作用较PSⅡ大.Hg2+处理导致类囊体膜在红光和蓝紫光区域的吸收峰都有下降,类囊体膜在波长685nm处的荧光发射峰随Hg2+浓度升高也呈下降趋势.Hg2+处理并未使类囊体膜的多肽组分发生明显变化.在10mmol·L-1Hg2+毒害下,类囊体片层结构肿涨,基质减少,且随着毒害时间的延长,类囊体片层结构肿涨加剧,进而解体,基质进一步减少.     

Hg2+对萍蓬草光合膜超微结构及功能的影响

研究了不同浓度的Hg2 对萍蓬草离体类囊体膜的光合电子传递活性、吸收光谱、荧光发射光谱、多肽组分的影响及超微结构的毒害。结果表明 ,Hg2 对 2个光系统的电子传递活性均有抑制作用 ,且对PSⅠ的抑制作用较PSⅡ大。Hg2 处理导致类囊体膜在红光和蓝紫光区域的吸收峰都有下降 ,类囊体膜在波长 685nm处的荧光发射峰随Hg2 浓度升高也呈下降趋势。Hg2 处理并未使类囊体膜的多肽组分发生明显变化。在 1 0mmol·L- 1Hg2 毒害下 ,类囊体片层结构肿涨 ,基质减少 ,且随着毒害时间的延长 ,类囊体片层结构肿涨加剧 ,进而解体 ,基质进一步减少。     

投加颗粒活性炭强化餐厨垃圾的厌氧处理

通过投加颗粒活性炭（GAC）强化直接种间电子传递（DIET）进而提升餐厨垃圾的厌氧产甲烷处理效能,并研究了GAC投加导致的微生物群落变化.研究发现,投加了GAC的实验组反应器能够在更高的有机负荷下（10.4kgCOD/（m³·d））稳定运行并维持较高的甲烷产率,不投加GAC的对照组在有机负荷7.8kgCOD/（m³·d）时甲烷产率及pH值均明显降低,挥发酸大量积累,反应器酸化崩溃.微生物群落结构分析发现,GAC表面富集了大量可以胞外电子传递的细菌（占细菌丰度的34%）和可以参与DIET的产甲烷菌（占古菌丰度的88%）,表明GAC的加入可以有效富集这两类微生物的生长,并可能通过GAC强化DIET促进了餐厨垃圾的厌氧消化.     

微生物燃料电池中产电微生物电子传递研究进展

微生物燃料电池集产电和污水净化为一体,作为一种新型的能源回收技术得到人们的广泛关注。从微生物燃料电池工作原理来看,电子能否顺利地传递到阳极表面对于电流的产生起着关键作用。因此,本文重点阐述了电子在产电微生物体内产生的途径、电子从微生物体内向阳极传递的不同方式以及阳极材料对产电微生物附着和电子传递的影响。从生物化学、电化学和材料学上对产电微生物体内的电子到阳极整个过程进行全面的综述。明确电子传递的关键环节,为新型高效阳极材料的开发提供思路。     

氧苯酮对龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)光合作用和呼吸作用的影响

本文以野生龙须菜（Gracilaria lemaneiformis）为受试材料,测定氧苯酮（BP-3）胁迫下龙须菜的快速叶绿素荧光、光合放氧/呼吸耗氧速率及活性氧含量的变化,研究了不同浓度的氧苯酮对龙须菜光合作用和呼吸作用的影响,分析了氧苯酮对水生植物的伤害机理。结果表明,用5～30 μmol/L的BP-3在黑暗条件下处理30 h后,龙须菜的呼吸作用不受影响,但光合作用PSII受体侧电子传递受到明显抑制。在80 μmol/(m2·s)光下,5～30 μmol/L 的BP-3可导致光合作用光能吸收与利用的失衡并诱发活性氧的大量产生,且抑制作用随胁迫浓度升高而加剧。活性氧测定结果进一步显示,光下BP-3诱导的氧化胁迫加剧了龙须菜光合作用PSII受体侧的破坏,并进一步损伤其呼吸作用过程和光合作用PSII供体侧。