A strategy for enhancing anaerobic digestion of waste activated sludge: Driving anodic oxidation by adding nitrate into microbial electrolysis cell

Cathodic reduction of CO₂ and anodic oxidation of organic matters are crucial to methane-producing microbial electrolysis cell (MEC) applied in anaerobic digestion of waste activated sludge. However, cathodic CO₂ reduction is usually restrained by slow metabolism rates of H₂-utilizing methanogens and low electron-capturing capacity of CO₂, which consequently slows down the anodic oxidation that participates to sludge disintegration. Herein, a strategy with adding nitrate as electron acceptor to foster electronic transfer between the anode and cathode was proposed to improve anodic oxidation. Results showed that the average efficiency of anodic oxidation in the nitrate-added MEC increased by 55.9%. Accordingly, volatile suspended solid removal efficiency in the nitrate-added MEC was 21.9% higher than that of control MEC. Although the initial cumulative methane production in the nitrate-added MEC was lower than that of control MEC, the cumulative methane production in 24?days was 8.9% higher. Fourier transform infrared spectroscopy analysis indicated that anodic oxidation of MEC with nitrate accelerated the disintegration of sludge flocs and cell walls. Calculation on current signal further revealed that anodic oxidation driven by cathodic nitrate reduction was the main mechanism responsible for the improved sludge digestion.     

基于微生物完整性指数的苏州市湿地健康评价

为建立在不同区域和不同湿地等大尺度范围内M-IBI（微生物生物完整性指数）评价方法体系,以苏州市15个湿地公园作为研究对象,构建符合区域性特征的生物完整性评价体系并进行应用研究.分别于2015年、2016年和2017年每年的7月对苏州市15个湿地公园的入流口和出流口水质进行采样调查,将采样点分为对照点、受损点和修复点,基于湿地水环境中微生物群落Illumina高通量测序技术,依据候选指标分布范围检验、敏感性分析和相关性检验,筛选出香农指数、前2优势分类单元相对丰度（相对丰度最多的2个属）总和、高温耐受属相对丰度、污染耐受属相对丰度、TN（总氮）敏感属相对丰度5个指标,提出了参数标准化公式和健康评价标准,依此将苏州市湿地健康状态划分为健康、亚健康、一般、较差、差5个等级.结果表明:①在10个受损点3 a所采集的30个样品中,有2个处于较差水平,有5个处于一般水平,有18个处于亚健康水平,有5个处于健康水平;而对于修复点,有23个样点处于健康水平,7个样点处于亚健康水平.②在农业面源污染较多的湿地入流口健康状况最差,工业用水汇入较多的湿地入流口次之,而城市景观水汇入的湿地入流口的健康状况最好.研究显示,M-IBI可以较合理地评价苏州市湿地生态系统健康状况,湿地对水环境的修复作用明显,经修复后的水体均处于健康或亚健康水平.      

厌氧氨氧化污泥群体感应信号分子检测及影响研究

厌氧氨氧化作为一种新型的脱氮工艺具有很好的应用前景,但厌氧氨氧化污泥富集培养困难.本研究以处理垃圾渗滤液的污泥作为接种污泥,在升流式厌氧污泥反应器(UASB)中启动厌氧氨氧化过程;检测驯化成功的厌氧氨氧化污泥中是否存在群体感应信号分子;并通过添加外源信号分子(cis-11-Methyl-2-dodecenoic acid,DSF和N-acyl-homoserine lactone,AHL),探究信号分子对厌氧氨氧化污泥附着生长能力的影响.结果表明,UASB反应器在运行150 d后,总氮去除率达到80%,菌群结构中厌氧氨氧化菌所占比例超过了20%,成功启动厌氧氨氧化工艺,且厌氧氨氧化污泥中存在低浓度的AHLs信号分子;人为添加3-碳位置取代基为羰基的AHLs(3-oxo-C6-HSL、3-oxo-C8-HSL、3-oxo-C10-HSL和3-oxo-C12-HSL)信号分子均能促进厌氧氨氧化污泥附着生长,而3-碳位置无取代基的AHLs中只有C12-HSL和C6-HSL存在积极影响,C8-HSL、C10-HSL和DSF信号分子对厌氧氨氧化污泥的附着生长能力并没有促进作用.     

温度对SCSC-S/Fe复合系统脱氮除磷及微生物群落特性的影响

为了探究温度对纤维素类降解菌和反硝化细菌的影响,分析了固相纤维素碳源玉米芯+硫铁填料脱氮除磷复合系统(solid carbon source of cellulose and sulfur/sponge iron process,SCSC-S/Fe复合系统)在不同温度下脱氮除磷效果,通过扫描电镜(SEM)和MiSeq高通量测序技术对反应前后玉米芯表面结构及微生物特性进行分析.结果表明,温度从15、20、25℃升高到30℃过程中,该系统TN平均去除率从78.88%增加到92.70%、TP平均去除率从82.58%增加到89.15%;反应后玉米芯表面以球状和杆状微生物为主;纤维素类降解菌所占比例在30℃比20℃时高出11.01%,而反硝化细菌所占比例降低了21.26%.可见,纤维素降解菌比反硝化细菌对温度更敏感,受温度影响更大.     

包埋固定化活性污泥脱氮特性与微生物群落分析

采用包埋固定化活性污泥法进行污水深度处理脱氮,针对不同初始总氮浓度的模拟废水,基于序批式间歇反应器的小试实验,探讨了包埋颗粒的脱氮效果及其微生物种群特性.结果表明,在包埋颗粒的体积投加率为10%,实验水温为10~15℃,DO为2~4 mg·L~(-1)和初始COD浓度为80~100 mg·L~(-1)条件下,不同初始总氮浓度(10~45 mg·L~(-1))和C/N比(1.78~10)的各反应器中,稳定期包埋颗粒的最大总氮去除负荷为7.78~23.18 mg·(L·h)~(-1).扫描电镜发现,包埋颗粒具有较好的孔隙结构,且颗粒内部与表面均存在微生物附着生长,已成为微生物的良好载体.高通量测序结果表明,较初始包埋污泥,包埋颗粒内部与表面的微生物群落构成发生了显著变化,包埋颗粒内微生物多样性良好,颗粒中脱氮菌属优势明显.包埋颗粒中存在异养硝化-好氧反硝化菌属,提升了包埋颗粒内非传统生物脱氮途径的潜能.     

石墨烯掺杂聚苯胺阳极提高微生物燃料电池性能

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）技术可分解代谢污染物质并同步输出电能,在环境及能源领域吸引了越来越多的关注.但是,输出功率密度较低、成本较高、底物降解率低等特点限制了其实际应用,其中阳极是主要限制因素之一.本研究选取具有优异导电性、大比表面积的石墨烯和生物相容性较好的聚苯胺（polyaniline,PANI）,并优化二者比例关系,制备得到石墨烯掺杂PANI复合材料.将复合材料涂覆在玻碳电极表面分析电化学性能,循环伏安（cyclic voltammetry,CV）和线性伏安扫描（linear sweep voltammetry,LSV）测试结果均显示石墨烯含量占比20%的复合电极（20%石墨烯）电化学性能最好.将复合材料修饰在碳布表面作为MFC阳极时以石墨烯含量占比5%的复合电极（5%石墨烯）生物电化学性能最佳,LSV得到最大输出功率密度为（831±45）mW·m^-2,分别是20%石墨烯、1%石墨烯、石墨烯、PANI、碳布阳极的1.2、1.3、1.3、1.5、1.8倍.最大输出电压、开路电压、化学需氧量去除率、库仑效率、生物量密度均以5%石墨烯电极最高.电化学阻抗分析表明5%石墨烯电极极化内阻仅为（24±2）Ω,是碳布电极的19.8%.电化学和生物电化学性能并不完全一致,说明电极材料的生物相容性是影响MFC性能的主要因素之一.5%石墨烯阳极充分发挥了石墨烯和聚苯胺的优点,提高了MFC的产电性能.     

杉木幼林土壤垂直剖面CO2通量对土壤增温的响应

研究土壤垂直剖面CO_2通量的分布是了解生态系统碳循环的重要环节.本研究以亚热带杉木幼林为研究对象,于2014年5月至2015年5月,采用气井法结合Fick扩散法则和扩散系数模型计算15、30、60 cm各层土壤的CO_2通量,探讨增温对其影响.结果表明:杉木幼林土壤增温影响可至60 cm土层,增温显著降低了各层土壤含水量(p0.05).增温显著增加了杉木幼林土壤CO_2通量(p0.05),深层尤为显著;增温处理(W)后15、30、60 cm土层的土壤CO_2通量年均值分别为1.35、0.73和0.36μmol·m-2·s-1,比对照(CT)相应增加了36%、180%和192%,并且增温显著影响了土壤基础呼吸速率F10和土壤温度敏感性指数Q10(p0.05).土壤温度和含水量能够共同解释各层土壤CO_2通量季节变异的62%~87%,且增温处理后其R2增大.双因子模型拟合结果优于单因子模型.增温能够增加土壤呼吸,对全球大气CO_2浓度升高具有正反馈作用.     

铜胁迫对铜绿微囊藻生长及产毒素的影响

以硝酸盐和磷酸氢盐为主要氮源和磷源,通过测定一定初始氮、磷条件下不同Cu~(2+)浓度培养液中藻密度及藻毒素浓度来研究微量元素Cu对铜绿微囊藻生长的影响.结果表明:当Cu~(2+)浓度为1和10μg·L~(-1)时,藻细胞的生长情况最好,藻密度取得所有浓度梯度中最大值;当Cu~(2+)浓度为1μg·L~(-1)时,藻细胞产毒素总量最大;Cu~(2+)严重缺乏(0.01μg·L~(-1))和过量(100μg·L~(-1))时,藻毒素的合成均受到严重抑制.Cu~(2+)浓度变化影响铜绿微囊藻对硝氮的利用效率,当Cu~(2+)浓度为0.01、0.1及100μg·L~(-1)时,氮元素的利用效率都相对较低.细胞比增长率与单细胞产毒量之间的相关性分析及线性拟合结果表明,单细胞产毒素量与细胞比增长率之间存在很好的线性关系:在Cu~(2+)浓度处于0.01~10μg·L~(-1)范围内,二者表现为正相关;Cu过量时(100μg·L~(-1)),表现为负相关,依据此结果可通过比增长率来预测单细胞的产毒素水平.     

沼泽红假单胞菌PSB06对辣椒根际微生物群落结构的影响

生物农药的使用极大地减少了对环境的污染,探究生物农药对致病菌的细菌多样性及群落分布将为后续研究生物农药对致病菌的微生态调控提供理论依据.本研究运用Illumina Mi Seq高通量测序技术分析比较辣椒健康植株与疫病发病植株根际土壤微生物多样性,以及研究沼泽红假单胞菌PSB06对植株根际土壤的微生物多样性影响,探究沼泽红假单胞菌PSB06对辣椒疫病的微生态调控机制.结果显示,在第7 d和第14 d的来自同一处理的根际土壤细菌群落多样性变化没有显著差异,辣椒疫病发病植株根际土壤微生物多样性均小于健康植株根际土壤微生物多样性且喷洒沼泽红假单胞菌PSB06发酵液的土样微生物多样性最高;辣椒疫病发病植株根际土壤中放线菌丰度均小于健康植株且喷洒沼泽红假单胞菌菌剂PSB06的土壤中放线菌的丰度最高.辣椒发病植株与健康植株根际土壤中微生物多样性存在显著差异.施用沼泽红假单胞菌可以改善土壤微生物区系,提高土壤微生物群落丰富性以及土壤中放线菌所占的丰度.     

添加剂对厨余垃圾堆肥中H_2S和NH_3排放的影响

以大类粗分后的厨余垃圾为研究对象,玉米秸秆作为调理剂,以不添加菌剂的处理作为对照(CK),以添加腐熟堆肥、鼠李糖脂和固体专用菌剂为3个处理,研究菌剂添加对厨余垃圾堆肥过程中H_2S和NH_3排放的影响。研究结果表明:菌剂添加促进了堆肥腐熟;添加腐熟堆肥更能有效地降低厨余垃圾堆肥过程中H_2S排放,而鼠李糖脂的添加更能有效控制NH_3的排放。从恶臭气体控制、堆肥腐熟并结合H_2S和NH_3的检知嗅阈,优选腐熟堆肥作为厨余垃圾堆肥过程中实现H_2S和NH_3同时减排的添加剂。