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.     

磷回收对厌氧/好氧交替式生物滤池蓄磷/除磷的影响

为能提高生物除磷系统的除磷/回收磷效率,研究采用厌氧/好氧交替式生物滤池(AABF)处理低碳磷比废水,观察利用周期性扩增进水碳源进行磷回收时,生物滤池除磷效率及生物膜内微生物特性的变化.通过分析生物滤池除磷效率变化,生物膜多聚物染色、扫描电镜(SEM)观察以及荧光原位杂交(FISH)技术分析生物滤池系统实施周期性磷回收对生物膜内微生物菌群形态与组成的影响.结果发现,生物滤池在先后经历3次生物蓄磷-磷回收(PB-PR)的运行操作过程中,生物滤池除磷效率分别由磷回收前的60.3%、82.9%、86.6%提高到磷回收后的87.2%、91.2%、93.5%;生物滤池生物膜内优势菌群形态逐渐由大球菌演变为小球菌、杆菌与丝状菌;经过连续3个周期的PB-PR操作,生物滤池底部生物膜中聚磷菌所占比例由43%提高至70%;聚磷菌群在生物膜内混合菌群中的比例随着上流式生物滤池高度的增加而不断提高.结果表明,采用周期性的碳源扩增与回收磷的操作,可以提高生物滤池除磷效率;引起生物滤池生物膜内微生物菌群形态与组成发生变化,促进聚磷菌成为优势菌群.     

内蒙古羊草草原根呼吸和土壤微生物呼吸区分的研究

利用根生物量回归法对内蒙古锡林河流域羊草草原根呼吸和土壤微生物呼吸进行了区分.结果表明,根呼吸占土壤呼吸的比例在13%~52%之间,平均为(24±3)%;土壤微生物呼吸占土壤呼吸的比例在48%~87%之间,平均为(76±3)%.土壤呼吸与根生物量的线性相关性不稳定.根呼吸活力与根冠比具有负指数相关关系(R2=0.661,P=0.20),与0~10、10~20、20~30和30~40 cm土壤含水量均有极显著的正指数相关关系(P<0.000 1).根呼吸与根呼吸活力具有极显著的指数相关关系(R2=0.848,P=0.01),根呼吸对土壤呼吸的贡献量与根呼吸活力具有显著的指数相关关系(R2=0.818,P=0.01).     

降解纤维素产甲烷的四菌复合系

自然环境中通常是微生物群落协同完成纤维素的降解,构建可降解纤维素的混菌体系是认识微生物相互作用的关键.利用富集培养法,结合变性梯度凝胶电泳(DGGE)指纹检测技术以及厌氧滚管技术,建立了一种筛选简单降解纤维素产甲烷复合菌系的方法.利用此方法从青藏高原若尔盖高寒湿地分离到一个由4株菌构成的降解纤维素产甲烷的稳定菌系.结果表明,该复合菌系由纤维素水解菌Clostridium glycolicum、非纤维素水解菌Trichococcus flocculiformis和Parabacteroides merdae、产甲烷古菌Methanobacterium subterraneum等具有不同功能的4种菌株组成,且在这4株菌的共同作用下可将纤维素直接转化为CH4.该简单复合系的获得为今后纤维素转化甲烷复合菌系的代谢控制和遗传改造提供了一个平台.     

水稻光合同化碳在土壤中的矿化和转化动态

作物光合碳是"大气-植物-土壤"碳循环的重要组成部分,是农田土壤有机碳的重要来源,然而其在土壤碳库中的矿化和转化动态尚不清楚.应用室内模拟培养实验,研究水稻收获后输入土壤的光合同化碳在土壤碳库中的矿化及其转化特征.结果表明,100 d的培养期内,原有有机碳的平均矿化速率在4.44~17.8μg·(g·d)-1之间,而光合碳(新碳)的矿化速率则在0.15~1.51μg·(g·d)-1之间.光合同化碳的输入对土壤活性碳库(DOC、MBC)的转化产生显著影响,在培养期内,14C-DOC的转化量为1.89~5.32 mg·kg-1,转化速率的变化幅度为0.18~0.34 mg·(kg·d)-1,原有DOC则在61.13~90.65 mg·kg-1,减少幅度为4.10~5.48 mg·(kg·d)-1;14C-MBC和原有MBC的转化量分别为10.92~44.11 mg·kg-1和463.31~1 153.46mg·kg-1,转化速率变化幅度分别为0.80~2.87 mg·(kg·d)-1和41.60~74.46 mg·(kg·d)-1,说明水稻光合碳的输入对MBC的周转要大于DOC的周转.而且,与原有有机碳相比,输入的"新碳"易被微生物矿化分解,100 d的培养期内,有13.5%~20.2%的新碳被矿化分解,而仅2.2%~3.7%的原有有机碳被矿化分解,光合同化碳的输入对维持稻田土壤的碳汇功能具有重要作用.     

热强化气相抽提对不同质地土壤中苯去除的影响

研究应用电阻加热强化气相抽提技术对砂土、壤土和黏土中苯去除效果的影响及作用机制.与常规抽提结果相比,在热强化处理作用下气相抽提对砂土和壤土中苯的去除效率提高了13.1%和12.3%,处理时间分别降低75%和14%.热强化处理使得黏土含水率下降,土壤渗透率升高,黏土颗粒表面羧基和乙基的吸收峰消失,有机质含量减少,苯的去除效率与对照相比提高了34%.对于砂土和壤土,热强化主要是通过促进苯在土体中扩散来提高去除效率,从而实现在较短时间内污染物质的大量去除;而对于黏土则是通过降低土壤颗粒表面有机基团的含量,从而降低污染物和土壤颗粒的吸附能力,并通过降低含水率和升高渗透率从而提高土壤中气体的扩散性能,以达到增强气相抽提效果的目的.     

铅锌尾矿重金属渗漏污染土壤和地下水的电动修复技术研究

随着生产的发展,中国地下水重金属污染问题日益严重,特别是尾矿重金属渗漏污染地下水尤引人注目,地下水和土壤相互作用,导致重金属离子发生迁移和再分配。电动修复技术作为一种新兴绿色技术,因其高效、节能、成本低、无二次污染,具有很好发展前景。本文对土壤和地下水重金属污染电动修复技术的原理、实际研究应用、技术优势及缺点进行论述,为进一步研究铅锌尾矿重金属渗漏污染地下水电动修复技术提供理论依据。     

不同条件下皂苷对污染塿土中Cu、Pb的淋洗修复

为了探讨环境友好型生物表面活性剂皂苷(saponin)对污染塿土中重金属Cu、Pb的淋洗修复效果,采用批次试验方法,研究了皂苷在不同的淋洗时间、质量浓度、p H、淋洗次数及背景电解质强度下对Cu、Pb单一污染塿土和复合污染塿土中Cu、Pb的淋洗效果.结果表明,当皂苷质量浓度为50 g·L-1、p H值为5.0、淋洗时间为240 min、无背景电解质离子共存时,重金属离子通过与皂苷胶团络合,对污染塿土中Cu、Pb的淋洗去除效果达到最大;在单一污染塿土和复合污染塿土中,50g·L-1的皂苷在最佳淋洗条件下对Cu的单次淋洗百分率分别为29.02%和25.09%,对Pb的单次淋洗百分率分别为31.56%和28.03%,同时也显示皂苷对Pb的去除效果比Cu更显著.经过4次淋洗后,在单一污染塿土和复合污染塿土中皂苷对Cu的累积淋洗百分率分别为58.92%和53.11%,对Pb的累积淋洗百分率分别为77.69%和65.32%.单次淋洗前后污染塿土中重金属形态分级结果表明:污染塿土中吸附态、交换态Cu、Pb的质量分数有所增加;碳酸盐结合态、有机结合态和硫化物残渣态的Cu、Pb可得到有效去除.     

三峡库区典型消落带土壤微生物生物量碳、氮的变化特征及其影响因素探讨

本文以三峡库区王家沟一典型消落带为研究对象,选择180、175、165和155 m这4个高程以探讨水位变化对土壤微生物生物量碳(SMBC)和微生物生物量氮(SMBN)的影响.其中,175、165和155m高程坐落在消落带内,分别表现为短、中和长期淹水,180 m高程作为对照,为永不淹水的陆地.土壤样品的采集深度为0~20 cm,每周采集一次.结果表明,180 m高程处土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)均无明显的季节变化,而175 m高程处SOC和TN季节变化明显,表现为春夏季高于秋冬季;各高程上的SMBC和SMBN及其分配比例呈现出秋高夏低的季节变化形态,表明消落带夏季高温低湿的土壤环境限制了微生物活性及土壤有机碳氮的周转速率.数据分析表明,与180 m高程相比,消落带上的175 m和165 m高程SOC、TN、SMBC及微生物商、SMBN及其分配比例均得到不同程度的升高,而155 m高程除了SMBN及其分配比例与对照无显著差异外,其他指标均显著低于对照,表明与未淹水对照点相比较,中短期淹水有利于提高消落带土壤碳氮含量及周转速率和微生物生物量,而长期受到江水淹没胁迫的土壤则会抑制土壤碳氮以及SMBC含量,并降低SOC的周转速率.相关分析表明,SMBC和SMBN均与地下5 cm处温度和p H呈极显著负相关,说明地下5cm处的温度以及p H对土壤微生物生物量有强烈的影响.     

以预处理剩余污泥为燃料MFC产电性能及不连续供电的可行性

为探讨微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理经预处理后剩余污泥的可行性以及不连续供电能力,采用双室MFC,以剩余污泥热处理上清液为基质进行启动和运行,通过改变电池阴极电子受体而导致电势差变化来监测其产电的运行稳定性.结果表明,反应器以氧气作为阴极电子受体148 h后启动成功,最大输出电压0.24 V,将阴极电子受体换为铁氰化钾时,能获得0.66 V的最大输出电压和4.21 W·m~(-3)的最大功率密度.当将阴极电子受体分别替换为氧气或者开路,又转换为铁氰化钾后,电池输出功率恢复迅速,电池对有机物去除效率基本不受影响,对化学需氧量(COD)、氨氮去除效率分别达70%和80%.本研究表明,利用预处理剩余污泥进行MFC处理和产电是可行的,可获得较高的功率密度,同时MFC可以实现不连续供电.