含油污泥生物電化學系統(tǒng)的產(chǎn)電性能及陽極膜菌群變化特征

郭?，? 魏立新, 耿孝恒, 賈新磊, 霍洪俊, 王鵬華, 黃春峰, 唐善法*

(1.長江大學石油工程學院，武漢 430100；2.濱州學院化工與安全學院，濱州 256600；3.常州大學石油工程學院，常州 213164)

含油污泥是原油開采儲運過程中產(chǎn)生的油、水等的混合廢物，會影響人體健康和環(huán)境質量[1]。因此，必須對其資源化無害化處理，使其處理殘余物達到國家環(huán)保要求。而現(xiàn)有其他資源化處理方法則均需對含油污泥進行必要的油泥分離或高溫熱解，造成分離過程復雜、成本較高，且存在二次污染風險。

生物電化學系統(tǒng)是利用微生物催化氧化有機物并將有機質中化學能轉變成電能的新型系統(tǒng)[2-3]。但受多種因素的影響系統(tǒng)輸出電壓及功率密度始終不高[4-5]。沉積型生物電化學系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其啟動時間短，產(chǎn)電效能高，它不需要質子交換膜，結構相對簡單，將陽極插入相對缺氧的被修復底物中，陰極放在上層富含氧氣或氧化物的陰極液中，通過外接電路就可進行電子的傳遞[6-7]。同時，在底物中的陽極會為其提供連續(xù)且穩(wěn)定的受體，加快有機物的代謝過程，從而實現(xiàn)其底泥修復的功能[8]。為此，將該沉積型生物電化學系統(tǒng)運用于油泥處理，既能利用微生物降解油泥中的石油等有機物，同時還能輸出電能，實現(xiàn)保護環(huán)境和產(chǎn)電節(jié)能的雙贏。

陽極生物膜的電活性會直接影響生物電化學系統(tǒng)的產(chǎn)電和降解性能[9]。有研究表明，以丙酸為陽極底物陽極生物膜優(yōu)勢菌群為壁厚菌門，而以丙酸、丁酸和葡萄糖為底物的生物電化學系統(tǒng)優(yōu)勢菌群為β-變形菌門(Proteobacteria)，尤以葡萄糖底物的微生物群落豐富度最高。陽極膜微生物組成和豐度會因陽極底物不同而表現(xiàn)出明顯差異[10-11]。

鑒于此，構筑了以含油污泥為底物的單室無膜沉積型生物電化學系統(tǒng)，并探討了該系統(tǒng)的產(chǎn)電效能及陽極膜微生物特征。通過系統(tǒng)輸出電壓、功率密度曲線、極化曲線及循環(huán)伏安測試，考察系統(tǒng)的產(chǎn)電性能；同時，采用生物宏基因組分類測序分析產(chǎn)電穩(wěn)定陽極碳氈上和初始含油污泥的微生物群落組成及豐度，以期了解以含油污泥生物電化學系統(tǒng)的陽極膜菌群變化特征。

1 實驗

1.1 生物電化學系統(tǒng)的構筑及運行

實驗采用的是單室無膜的沉積型生物電化學系統(tǒng)，有效體積為2 L(圖1)。含油污泥來自勝利油田，含油率為40.71%，含水率為10.70%。含油污泥與培養(yǎng)基，以9∶1的比例均勻混合后，取1 L沉積于系統(tǒng)底部，上部為陰極液[12]，體積為1 L。陰陽兩電極均采用經(jīng)預處理的圓形石墨氈(厚度為10 mm，直徑分別為80 mm)，陽極埋于含油污泥中，陰極浮于陰極液表面且與空氣相接觸，兩極間距為12.5 cm。陽極和陰極通過銅導線與外電阻(500 Ω)相連，外電阻兩端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與電腦相連導出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器每隔10 min記錄一次。裝置于恒溫培養(yǎng)箱[(31±1) ℃]中進行，電池運行期間定期添加陰極緩沖液。

圖1 含油污泥沉積型生物電化學系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of oily sludge bioelectrochemical system

1.2 產(chǎn)電性能測試方法

1.2.1 輸出電壓、功率密度及極化曲線

系統(tǒng)產(chǎn)電過程中，輸出電壓、功率密度等可用于評價系統(tǒng)產(chǎn)電效能。系統(tǒng)輸出電壓可由數(shù)據(jù)采集器直接獲得。由P=UI/A，I=U/RA得出功率密度和電流密度，其中，I表示電流密度(mA·m-2)；U表示電壓(mV)；R表示外接電阻(Ω)；P表示陽極功率密度(mW·m-2)；A表示陽極有效面積(m2)。

在系統(tǒng)發(fā)電穩(wěn)定期間，改變外接電阻大小，變化范圍0～9 000 Ω，當0～10 Ω時，調節(jié)間隔為1 Ω，10～100 Ω時，調節(jié)間隔10 Ω，100～900 Ω時調節(jié)間隔為100 Ω，1 000～9 000 Ω時，調節(jié)間隔為1 000 Ω；測量時每改變一次電阻待MFC穩(wěn)定10 min后記錄數(shù)據(jù)。測得數(shù)據(jù)計算電流、電流密度及功率密度并做出系統(tǒng)的功率密度曲線與極化曲線。

1.2.2 循環(huán)伏安曲線測試

系統(tǒng)的循環(huán)伏安(CV)曲線通過電化學工作站(CHI660E，上海辰華儀器有限公司)進行測試。采用三電極體系：對電極采用鉑絲電極，Ag/AgCl 電極(+0.195 V，標準氫電極電位)為參比電極，對系統(tǒng)中的陽極膜進行CV循環(huán)伏安掃描時，陽極為工作電極，電位掃描的范圍為-1.5～1.5 V，掃描速度為10 mV/s。

1.3 陽極膜菌群變化特征

1.3.1 DNA提取

采用生物宏基因組分類測序的方法分析陽極碳氈及初始油泥中的微生物種群結構。分別提取初始油泥和產(chǎn)電穩(wěn)定期陽極碳氈微生物DNA。

1.3.2 聚合酶鏈式反應

對提取的DNA進行聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction, PCR)擴增，選取 V4-V5 區(qū)作為擴增引物515F(5＇-GTGCCAGCMGCCGCGG-3＇)和907R(5＇-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3＇)。

1.3.3 操作分類單元的獲得

通過Illumina MiseqTM平臺測得序列，通過拼接及篩選后，在相似度97%下，將數(shù)據(jù)聚成操作分類單元(operational taxonomic units，OTU)。

1.3.4 生物群落組成及豐度分析

獲得的OTU通過核糖體數(shù)據(jù)庫(ribosomal database project, RDP)數(shù)據(jù)庫 (http://rdp.cme.msu.edu/)中的Classifer程序進行檢索分類，按照文獻[13]的分析方法分析群落的組成、相對豐度。

2 結果與討論

2.1 系統(tǒng)產(chǎn)電性能分析

2.1.1 輸出電壓、功率密度及極化曲線

系統(tǒng)輸出電壓隨時間變化如圖2所示，系統(tǒng)電壓在0～12 d逐漸上升； 12～20 d，輸出電壓基本穩(wěn)定在300 mV左右，期間最大產(chǎn)電壓為Vmax=320.7 mV；20～30 d，電壓逐漸下降。圖3為12～20 d即系統(tǒng)產(chǎn)電穩(wěn)定期的極化曲線和功率密度曲線?？芍?，隨著外電阻的減小，輸出的電流密度先增大后減小，且輸出電壓逐漸減小。由功率密度-電流密度曲線(功率密度曲線)可得，當電流密度為183.13 mA·m-2時，輸出的功率密度最大為Pmax=3 353.7 mW·m-2，此時外接電阻為500 Ω左右。研究表明，電子從陽極向陰極的流動會受外阻的控制，因此外阻值會影響系統(tǒng)產(chǎn)電性能[14]。由極化曲線可知，系統(tǒng)符合電流密度與輸出電壓之間呈直線關系的規(guī)律(V=-1.036i+324.96，相關系數(shù)0.98)。根據(jù)電流與電壓間關系式V=ε-ir(ε為電動勢，V為輸出電壓，i為電流，r為內(nèi)阻)，可得電池電動勢為324.96 mV，電池內(nèi)阻值為509.73 Ω。由此可以得出，系統(tǒng)的內(nèi)阻與功率輸出最大值時的外阻值(500 Ω)相接近。

圖2 系統(tǒng)輸出電壓隨時間變化Fig.2 The output voltage change of the system with time

圖3 極化曲線和功率密度曲線Fig.3 Polarization and power density curves

2.1.2 循環(huán)伏安曲線分析

循環(huán)伏安曲線(CV)能確定活性微生物氧化還原反應有機物的中心電位，同時明確陽極膜菌群的催化能力大小、電子傳遞能力及極限電流的大小等[15]。圖4為系統(tǒng)陽極生物膜不同產(chǎn)電時期的CV曲線?？梢钥闯?，在產(chǎn)電初期(0 d)，陽極生物膜循環(huán)伏安曲線光滑，表明氧化還原反應不明顯。在產(chǎn)電穩(wěn)定期(15 d)，CV曲線呈“S”形狀，說明產(chǎn)電微生物的催化作用與有機物的降解具有耦合效果，與之前報道結果一致[16]。氧化還原峰分別在0 V和-0.5 V，極限電流值為0.12 A/cm2，表明該陽極生物膜具有較強電活性。系統(tǒng)產(chǎn)電30 d時，CV曲線光滑即無氧化還原峰。

圖4 陽極循環(huán)伏安曲線Fig.4 Cyclic voltammetry curve for anode electrode

2.2 陽極膜菌群變化特征

2.2.1 多樣性指數(shù)

初始油泥(YN1)和系統(tǒng)處于產(chǎn)電穩(wěn)定期的碳氈(TZ)的多樣性指數(shù)如表1所示，在樣本覆蓋度(coverage)為0.96條件下，YN1的Seq 數(shù)、AEC指數(shù)、Chao1分別為55 020、50 398.64、22 327.10均高于TZ(50 149、31 064.92、15 617.76)，這表明系統(tǒng)處于產(chǎn)電穩(wěn)定期的陽極膜比對應初始油泥的微生物菌群多樣性降低，這與前人報道具有一致性[17]。

表1 油泥及陽極膜中微生物菌群多樣性指數(shù)

2.2.2 群落結構組成、相對豐度及差異性分析

圖5是系統(tǒng)處于產(chǎn)電穩(wěn)定期的碳氈(TZ)和原始油泥(YN1)菌群組成及相對豐度圖(圖5)，并進一步對比兩者菌群存在的差異性(圖6)。由圖5(a)可知， TZ、YN1的菌群組成主要有變形菌門(Proteobacteria)(46.39%、30.94%)、厚壁菌門(Firmicutes)(23.84%、45.5%)、綠彎菌門(Chloroflexi)(12.07%、9.29%)、擬桿菌門(Bacteroidetes)(6.94%、4.94%)。從門水平來看， Proteobacteria為TZ的優(yōu)勢菌群，這與以其他有機質為陽極底物的生物電化學系統(tǒng)具有一致性，F(xiàn)irmicutes為YN1優(yōu)勢菌群，其能在胞外進行電子傳遞，是產(chǎn)電微生物群落的重要組成[17]。結合圖6(a)可知，YN1上Firmicutes相對豐度增大為TZ的1.5倍。研究表明，Bacteroidetes 和 Chloroflexi 都包含有多種產(chǎn)電菌[18]。

圖5 初始油泥(YN1)及碳氈(TZ)微生物菌群組成及相對豐度對比Fig.5 Composition and abundance of microbial communities at different levels on the anode surface and Initial oil sludge

圖6 油泥(YN1)及碳氈(TZ)微生物菌群組成差異性圖Fig.6 Difference diagram of microbial flora composition of sludge (YN1) and carbon felt (TZ)

在綱水平上，相對豐度大于5%的菌群如圖5(b)所示，TZ和YN1中均為梭菌綱(Clostridia)(21.99%，40.04%)、α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)(20.12%，14.94%)、厭氧繩菌綱(Anaerolineae)(18.81%，13.33%)和γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)(11.56%，9.03%)。YN1中Clostridia的相對豐度是TZ的1.8倍，有研究表明，梭菌綱(Clostridias)可通過胞外傳遞電子[19]。YN1中Alphaproteobacteria、Anaerolineae 和Gammaproteobacteria的相對豐度均低于TZ。Anaerolineae 綱屬于Chloroflexi門，是由Yamada 等通過 16SrRNA 基因分析，構建系統(tǒng)進化樹而發(fā)現(xiàn)并命名，最適宜在 37 ℃左右、嚴格厭氧條件下生存，生長最適 pH 為 7.0[20]，因此，廣泛存在于系統(tǒng)中。

在目水平上，相對豐度大于5%的菌群如圖5(c)所示。TZ中有梭菌目(Clostridiales)(22.01%)、厭氧繩菌目(Anaerolineales)(11.72%)、擬桿菌目(Bacteroidales)(5.63%)、紅育菌目(Rhodobacterales)(6.2%)、Rhizobiales(9.99%)、假單胞菌目(Pseudomonadales)(13.26%)。其中，相對豐度與YN1相差最大的是Pseudomonadales。有研究表明，Pseudomonadales分泌的介體既能提高其自身的產(chǎn)電降解能力，也能為其他菌屬提供電子傳遞的中介體[21]。

在屬水平上[圖5(d)、圖6(b)]，TZ與YN1差異性較大主要集中在Proteiniclasticum、Pseudomonas。Proteiniclasticum在YN1(39.43%)中的相對豐度是TZ(15.83%)的2.5倍，Proteiniclasticum屬于厚壁菌門。

3 結論

(1)構筑了以含油污泥為陽極底物的單室無膜沉積型生物電化學系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)最大輸出功率、產(chǎn)出電壓為3 353.7 mW·m-2、320.7 mV。陽極生物膜具有較強電活性，循環(huán)伏安曲線呈“S”形狀，氧化還原峰分別在-0.5 V和0 V，極限電流值為0.12 A·cm-2。

(2)系統(tǒng)產(chǎn)電穩(wěn)定期陽極膜(TZ)相比于相應的初始沉積物(YN1)的菌群多樣性降低，且兩者微生物組成及相對豐度有較大差別，在TZ表面的微生物主要為Proteobacteria，YN1占優(yōu)勢的微生物為 Firmicutes。該技術既能高效、清潔資源化利用含油污泥，又能有效避免油泥分離且輸出電能，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。