纸板碳化电极提高生物电化学系统产电效率微生物机理研究

采用Solexa高通量测序技术和蛋白定量方法,分析了碳化纤维素纸板制备的层状波纹碳(LCC)电极与石墨板(GP)电极在生物电化学系统运行过程形成的生物膜微生物群落结构和生物量差异.结果表明,LCC电极良好的生物电化学性能不仅取决于其良好的导电性能,还与其表面生物膜微生物群落结构有关;LCC电极表面生物膜微生物量高,且对产电微生物的富集效果好.LCC电极与GP电极表面生物膜分别得到16S rRNA基因V3区优化序列12643条和12837条,经97%相似度归并后获得的OTUs数量分别为2786和3130;α多样性分析显示,GP电极生物膜微生物多样性相对更丰富.Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes在两种电极生物膜中含量最为丰富,这3个门细菌序列数分别占总序列数的76%(LCC)和85%(GP).在属分类水平上,LCC电极生物膜由383个属的细菌构成,而GP电极生物膜则有456个属.深入分析电极生物膜微生物群落结构有助于进一步认识LCC电极提高生物电化学系统产电效率的机理.     

我国南方四省集中连片水稻田土壤重金属污染评估研究

以2013—2014年南方湖南、江西、浙江、福建四省集中连片水稻田的63个采样数据为基础,利用单因子评价法和内梅罗指数评估南方水稻田土壤重金属的污染情况.结果表明:南方集中连片水稻田土壤Cd点位超标率为0;Hg、As和Ni 3种重金属含量超出《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准的比例最大,分别为6.3%、4.8%和7.9%;研究区水稻田土壤重金属以清洁为主,70%以上符合农业生产和生活要求,但少量样点Hg为中度和轻度污染,As和Ni为轻度污染;从内梅罗综合指数看,研究区土壤重金属仅有3.18%和1.59%的为轻度污染和中度污染,主要分布在湖南和江西.     

赤泥碱性调控研究进展

赤泥是氧化铝工业生产过程产生的强碱性固体废弃物,资源化利用难、环境风险高,严重制约了氧化铝行业的可持续发展.赤泥土壤化是实现规模化处置赤泥的一种可行方法,而碱性调控则是赤泥土壤化的关键环节.论文在综述氧化铝生产过程碱性物质形成过程的基础上,从可溶性碱和化学结合碱角度分析了赤泥碱性物质的赋存状态,阐述了国内外化学调碱法和生物调碱法的研究进展和碱性转化机制,剖析了赤泥碱性调控方面存在的问题,提出了赤泥碱性调控研究的发展方向.这将为赤泥规模化处置和堆场生态重建、保障氧化铝工业的健康发展提供科学参考.     

微生物燃料电池处理含S2-/NH4+废水的研究

以除硫硝化微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理含S~(2-)/NH_4~+的模拟无机废水,研究了不同进水S~(2-)浓度下MFC的产电性能、污染物去除效果和阳极室硫累积情况.结果表明,除硫硝化MFC可实现同步阳极除硫和阴极硝化,并通过非生物电化学作用和生物电化学作用共同产电.进水S~(2-)浓度为(60.8±2.9)、(131.7±2.4)、(161.7±4.5)和(198.1±3.1)mg·L~(-1)时,最佳阳极碳刷清洗周期分别为3、3、3、4个换水周期,前3个进水浓度下的换水周期可分别缩短为6、8和8 h.MFC阴极硝化完全,不受进水S~(2-)浓度影响,但氧从阴极向阳极的渗漏导致阳极库仑效率较低(40%).适当增加进水S~(2-)浓度可增强MFC的产电性能并提高S~(2-)去除负荷和颗粒硫累积比.除硫硝化MFC适宜的进水S~(2-)浓度为(161.7±4.5)mg·L~(-1),相应的最大功率密度为5.77 W·m~(-3),周期产电量为(141.0±5.2)C,S~(2-)去除负荷为(0.31±0.00)g·L~(-1)·d~(-1),颗粒硫累积比达58%.阳极碳纤维丝上沉积有粒径约100 nm的颗粒硫.阳极悬浮物与沉积物相比,悬浮物中S0含量比例较高,而S6+含量比例较低.     

桉树叶提取液还原石墨烯电极提高微生物燃料电池产电性能的研究

将桉树叶提取液绿色还原氧化石墨烯(G-rGO)电极和微生物还原氧化石墨烯(B-rGO)电极依次作为微生物燃料电池(MFC)阳极,采用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对所制备的电极进行表征,并采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)对比2种电极的电化学性能.结果发现,G-rGO阳极的内阻为243.87Ω,应用于MFC时最大功率密度和最大输出电压分别为18.77 W·m~(-3)和760 mV,对照组B-rGO电极的内阻为299.11Ω,将其应用于MFC时最大功率密度和最大输出电压分别为13.16 W·m~(-3)和635 mV,对照组未修饰阳极的内阻为375.21Ω,最大功率密度和最大输出电压分别为8.97 W·m~(-3)和480 mV.研究表明,G-rGO电极电阻更小,导电性能更优越.     

甲硫醇降解菌群筛选及其降解特性研究

从处理甲硫醚(DMS)和丙硫醇(PT)混合废气的生物滴滤塔中富集出一组能够有效降解甲硫醇(MT)的混合菌群,并对其特性进行了系列研究.结果表明,该混合菌群能有效降解MT,菌群较为适宜的生长和降解条件为30℃、p H=7.0,在该条件下能将初始浓度为20 mg·L~(-1)的MT在70 h内降解完全.添加酵母膏(YE)后,MT降解速率进一步提高,降解所需时间缩短10 h.利用高通量测序技术分析混合菌群的群落结构,发现其中优势菌属为Pseudomonas sp.、Thiobacillus sp.和Acinetobacter sp.,所占比例分别为33.78%、21.91%和17.01%.中间产物检测结果表明,混合菌群降解MT的过程中产生了甲醛、H_2S、二甲基二硫醚(DMDS)等物质,推断MT的降解途径可能有如下2条:(1)MT在MT氧化酶作用下形成甲醛和H2S,随后氧化为SO_4~(2-);(2)MT依次转化为DMDS、DMS、二甲基亚砜(DMSO)和二甲基砜(DMSO_2),最后经甲基磺酸(MSA)可生成SO_4~(2-).     

土霉素对SBR系统细菌的抑制效应与机制研究

基于SBR系统,从脱氮过程、化学需氧量(COD)的去除过程、胞外聚合物(EPS)的总量变化过程、比呼吸速率(SOUR)的变化过程及微生物群落的变化等多个角度出发,较系统地研究了不同浓度土霉素对SBR系统的冲击作用.结果表明,由于土霉素(OTC)的作用,系统氨氮去除率从空白对照组的99.0%分别下降至77.2%(OTC 1 mg·L~(-1))、47.4%(OTC 5 mg·L~(-1))及10.0%(OTC 10 mg·L~(-1)).此外,高浓度土霉素(10mg·L~(-1))引起EPS分泌量和异养菌SOUR分别下降至空白组的44.3%和41.2%.由高通量分析可得,由于高浓度土霉素(5 mg·L~(-1)以上)的作用,活性污泥中微生物的多样性显著下降,且微生物的群落结构也发生显著变化.属层面的分析可得,高浓度土霉素(5 mg·L~(-1)以上)反应器中的部分氨氧化菌,如Nitrospira和Nitrosomonas均受到了抑制.     

纳米银与石墨烯对土壤微生物及土壤酶的影响

采用室内暗培养试验分别探究了纳米银与石墨烯对土壤微生物及土壤酶的不同影响.将不同剂量的纳米银(0、10、100、150 mg·kg~(-1))与高纯石墨烯(0、10、100、1000 mg·kg~(-1))分别与等量棕壤充分混匀,然后进行暗培养.在第3、7、15、30和60 d时取样,测定土壤脲酶、土壤碱性磷酸酶、土壤脱氢酶和土壤过氧化氢酶的活性及土壤细菌、真菌和放线菌的数量,并在培养期间测定土壤呼吸速率及CO2累积量.结果表明,所有纳米银处理均抑制土壤的呼吸作用,并且剂量越高,抑制作用越明显;而石墨烯处理未对土壤呼吸产生显著影响.10 mg·kg~(-1)纳米银处理下,土壤真菌数量在整个培养期内均显著低于对照,土壤细菌在第60 d时也被显著抑制,但土壤放线菌数量无变化;与对照相比,100和150 mg·kg~(-1)的纳米银处理显著降低了土壤细菌、真菌、放线菌的数量.10和100 mg·kg~(-1)的石墨烯处理下,土壤细菌、真菌、放线菌数量则均无显著变化.1000 mg·kg~(-1)的石墨烯显著增加了土壤中细菌与真菌的数量,却对土壤放线菌数量无影响.纳米银处理显著抑制土壤脲酶、脱氢酶活性,却对土壤过氧化氢酶与磷酸酶活性基本无影响.10和100 mg·kg~(-1)石墨烯处理对土壤脲酶有一定的促进作用,1000 mg·kg~(-1)石墨烯处理对土壤过氧化氢酶和脱氢酶有一定的促进作用,而不同剂量的石墨烯在培养后期均对碱性磷酸酶产生抑制作用.总体来说,纳米银在一定程度上对土壤酶及土壤微生物结构产生了负面影响,而石墨烯对土壤酶及土壤微生物结构的影响不明显.     

波流式生态滤床氨氮去除效果及其微生物群落结构分析

利用波流式生态滤床处理受污染的河水,考察了其对氨氮的去除效果和沿程污染物转化情况,并采用扫描电镜、高通量测序手段解析了波流式生态滤床不同时间和位置基质上生物膜的细菌群落组成,分析了波流式生态滤床小试反应器中硝化细菌和反硝化细菌的分布特点,以探讨其去除氨氮的机理.结果表明,反应器稳定运行以后,对氨氮平均去除率为74.83%,基质表面可以观察到大量微生物,不同时期优势细菌有较大不同.反应器前部主要发挥硝化作用,中部发挥反硝化作用,硝化菌的分布呈现上多下少、前多后少的特点,使得氨氮在前端被快速去除;中部以黄杆菌属(Flavobacterium)为代表的反硝化菌丰度较高,促进了反硝化作用的发挥,降低了出水中总氮浓度;不同部位样品中细菌多样性差别不大,微生物种群多样性随着水流方向呈现先增加,到后段减少的趋势.     

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.