土壤微生物燃料電池電極微生物分析及其運(yùn)行對水稻生長活性的影響

歐陽湖，周 建，任建國,2，王俊麗*

土壤微生物燃料電池電極微生物分析及其運(yùn)行對水稻生長活性的影響

歐陽湖1，周 建1，任建國1,2，王俊麗1*

(1. 貴州醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院, 環(huán)境污染與疾病監(jiān)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽 550025；2. 貴州省食品營養(yǎng)與健康工程研究中心, 貴陽 550025)

采用盆栽水稻試驗(yàn)，研究微生物燃料電池電極富集微生物種類及其運(yùn)行對水稻生長活性的影響。用雙層瓊脂平板法對陽、陰極碳?xì)治⑸镞M(jìn)行培養(yǎng)，通過平板計數(shù)法計算碳?xì)指患⑸飻?shù)量。通過細(xì)菌個體形態(tài)、生理生化試驗(yàn)及16SrDNA分析確定其分類地位；用稱重、α-萘胺氧化法研究微生物燃料電池運(yùn)行（閉路組）對水稻生長活性的影響。成功構(gòu)建微生物燃料電池。閉路組陽極細(xì)菌B1、B2和B3總量是3.4×108CFU·g-1，其中優(yōu)勢微生物B1為2.9×108CFU·g-1。開路組（組裝有微生物燃料電池，但處于斷路狀態(tài)）陽極細(xì)菌B1、B3和B4總量是1.5×108CFU·g-1，其中優(yōu)勢微生物B3為1.1×108CFU·g-1，閉路組與開路組陰極都只培養(yǎng)出B3和B4，閉路組陰極B4數(shù)量是開路組的7倍；閉路組與空白組（未組裝有微生物燃料電池）、開路組相比，在水稻須根數(shù)方面無顯著差異，但在植株鮮重、干重及根系活力方面存在明顯差異。在所有分析指標(biāo)中，空白組和開路組間無明顯差異。微生物燃料電池(MFC)運(yùn)行能促進(jìn)水稻的生長和產(chǎn)電微生物B1()和B2(sp.)在陽極碳?xì)值母患?/p>

微生物燃料電池；優(yōu)勢微生物；水稻；生長；產(chǎn)電微生物

微生物燃料電池[1-2]（microbial fuel cell，MFC）利用具有產(chǎn)電能力的微生物在分解有機(jī)物的同時產(chǎn)生電子，利用這些電子的定向移動構(gòu)建閉合回路就能產(chǎn)生電流。通常陰極為有氧化劑存在的環(huán)境，如氧氣。陽極為厭氧環(huán)境，此類為最基礎(chǔ)的微生物燃料電池。若陰極為厭氧環(huán)境，表明陰極存在作為電子受體的物質(zhì)，如尿素和硝酸鹽等化合物，此類稱為生物陰極型MFC。因?yàn)镸FC可以將有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，存在清潔無污染、成本低、效率高、可持續(xù)且適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)，所以對解決有機(jī)物污染嚴(yán)重的環(huán)境問題具有較好的實(shí)用性[3-4]，同時對于開發(fā)新的清潔能源有前瞻性的意義。

利用土壤中的產(chǎn)電微生物修復(fù)土壤[5]同步產(chǎn)電的研究越來越熱門，Wang等[6]采用微生物燃料電池處理石油污染土壤的研究中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行微生物燃料電池顯著加速土壤中烷烴和多環(huán)芳烴化合物的降解。Habibul等[7]對MFC驅(qū)動的有毒金屬污染土壤原位電動修復(fù)的可行性進(jìn)行了研究，經(jīng)過143 d和108 d的運(yùn)行，陽極區(qū)Cd和Pb的去除率分別達(dá)到31.0%和44.1%。在田靜[5]的研究中，以石油污染的土壤作為基質(zhì)構(gòu)建微生物燃料電池，結(jié)果表明該電池在長時間產(chǎn)電的同時還強(qiáng)化了微生物對石油的降解作用，在陽極和土壤中均檢測出了假單胞菌屬（）、微桿菌屬（）等產(chǎn)電微生物，而陽極表面的優(yōu)勢菌為地桿菌屬（）。土壤微生物燃料電池用于修復(fù)多環(huán)芳烴污染土壤的研究中表明電極間距越小，多環(huán)芳烴的產(chǎn)電量和去除率越高，以為主的細(xì)菌會在電池陽極表面富集[8]。Cao等[9]構(gòu)建無膜單室土壤MFCs降解土壤中難降解的有機(jī)農(nóng)藥六氯苯（HCB），結(jié)果表明，40 mg·kg-1、80 mg·kg-1和200 mg·kg-1土壤中HCB的去除率分別為71.14%、62.15%和50.06%，分別比對照高18.65%、18.46%和19.17%。林博[10]對水稻土微生物燃料電池的陽極微生物群落進(jìn)行檢測，通過16S克隆文庫進(jìn)行測序表明，主要的細(xì)菌群體為、、、、、、和。不是所有微生物都能作為產(chǎn)電微生物，至今發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)電菌以變形菌（）為主，厚壁菌因?yàn)樵陔娮拥膫鲗?dǎo)過程中存在很大缺點(diǎn)而被研究的較少。近年來，酵母菌也被學(xué)者發(fā)現(xiàn)可以用于MFC的研究。所以對于陽極微生物群落的多樣性[11-12]及優(yōu)勢微生物的研究將會對產(chǎn)電微生物的篩選與運(yùn)用提供參考。為此，本研究計劃通過室內(nèi)水稻種植模擬試驗(yàn)，研究微生物燃料電池運(yùn)行對水稻生長活性的影響并對其電極微生物進(jìn)行分析，為MFC的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻幼苗（4葉期）取自貴州省農(nóng)科院水稻所，品種為粳稻‘日本晴’，屬于耐冷型品種。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 微生物燃料電池構(gòu)建 微生物燃料電池為無膜單室微生物燃料電池[13]，陰陽極之間用直徑為5 mm，長134 cm的銅導(dǎo)線串聯(lián)一個10 Ω的可調(diào)節(jié)電阻箱，另用60 cm長的同規(guī)格導(dǎo)線接入一個毫伏表并聯(lián)到電路中；電池的陰陽極均由樹脂固定直徑為6 mm，長300 mm的碳棒（含碳量99.999%）于長70 cm，寬50 cm，厚5 mm的碳?xì)稚现谱鞫?，其中陽極碳?xì)种行募舫?0 cm×40 cm，空露部分用以種植水稻。在塑料容器（長75 cm，寬52 cm，高35 cm）中，稱取11 kg未種植過水稻的土壤（pH6.16，有機(jī)質(zhì)44.265 g·kg-1，全氮2.712 g·kg-1，全磷1.264 g·kg-1，全鉀12.011 g·kg-1）均勻鋪在容器底部，將制作好的陰極放在土壤上方后用23 kg土壤覆蓋，再向容器中加入12 L水，陽極材料懸浮于水面。實(shí)驗(yàn)設(shè)置有開路組（組裝有微生物燃料電池，但處于斷路狀態(tài)）、閉路組（組裝有微生物燃料電池，且處于閉路狀態(tài)）和空白組（未組裝有微生物燃料電池），各有3個重復(fù)。電阻兩端的電壓通過毫伏表（上海第二表廠）定時采集（每隔8 h采集一次數(shù)據(jù)）。MFC裝置如圖1。

1.2.2 水稻種植及敵百蟲的噴施 選取同一品種大小相似的5葉期水稻苗種植于已運(yùn)行的MFC中，每個塑料容器內(nèi)梅花點(diǎn)狀式選取5個點(diǎn)，每個點(diǎn)種植2株，種植20 d后給植株噴施尿素，26 d后開始施用敵百蟲，連續(xù)噴灑2次，間隔期為10 d。每個容器噴施的敵百蟲溶液的體積（50 mL）和濃度相同（2 g 90%的敵百蟲溶解于50 mL的水中）。

1.2.3 電極微生物的分離培養(yǎng)與鑒定 電池運(yùn)行60 d后，分別稱取閉路組和開路組陰、陽兩極的碳?xì)?0 g（含水量為77.64%），參考黃燕新等[14]的方法對微生物進(jìn)行分離計數(shù)，再通過普通肉汁胨瓊脂平板劃線法進(jìn)行純化。純化出的細(xì)菌按照李振高等[15]的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行傳統(tǒng)分類鑒定，并對陰、陽極優(yōu)勢細(xì)菌進(jìn)行16SrDNA分析。使用DNA提取試劑盒提取優(yōu)勢細(xì)菌DNA，選擇引物27F和1495R 進(jìn)行DNA擴(kuò)增[16]，將未純化PCR擴(kuò)增產(chǎn)物送往貴陽NEST生物技術(shù)公司（金斯瑞分公司）測序，測定結(jié)果通過NCBI網(wǎng)站中的BLAST程序搜尋近緣物種，用MAGA5.0構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，結(jié)合細(xì)菌傳統(tǒng)分類鑒定結(jié)果以此確定細(xì)菌的屬種。

圖1 MFC裝置示意圖(側(cè)面)

Figure 1 Schematic diagram of MFC (side)

1.2.4 水稻生物量及根系活力測定 第2次噴灑敵百蟲35 d（抽穗期）后測定水稻的生物量，包括須根數(shù)、植株鮮重、干重和水稻根系活力，不同處理組（開路組，閉路組和空白組）各重復(fù)3次。取不同處理組的水稻苗于自來水下沖洗干凈后，置于濾紙上室溫陰干，稱其鮮重，同時計數(shù)須根數(shù)。清洗干凈的水稻植株置于105 ℃烘箱中至恒重，測定其干重。在水稻返青分蘗生長45 d后隨機(jī)選取水稻苗，將其根系依次用自來水和蒸餾水洗凈，濾紙吸干后稱取1～2 g放入錐形瓶中用于根系活力測定，具體測定方法參考丁漢卿方法[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物燃料電池運(yùn)行特性

MFC部分運(yùn)行采集數(shù)據(jù)如圖2所示，96 h采集數(shù)據(jù)后給水稻施用尿素，240 h和472 h采集數(shù)據(jù)后噴施敵百蟲溶液。從圖2中發(fā)現(xiàn)，施肥和施藥后電壓都有明顯增大趨勢，且能持續(xù)一段時間，但表現(xiàn)方式有所不同。施肥（尿素）后的72 h內(nèi)電壓有小幅度的增加，72～120 h內(nèi)電壓有較大幅度的增加，引起這種現(xiàn)象變化的主要原因可能是由于尿素在土壤中一系列轉(zhuǎn)變引起的，包括尿素的氨化作用、氨在土壤中沉積（銨離子形成）和銨離子的微生物氧化作用（釋放質(zhì)子）[18]。在外阻（10 Ω）恒定的條件下，電壓大幅度的增加意味著更多銨離子參與到微生物的氧化作用中產(chǎn)生更高電流強(qiáng)度。連續(xù)施用2次（間隔232 h）敵百蟲溶液后電壓變化趨勢基本一致，施藥后40 h電壓達(dá)到最大值，其后隨著時間的延長，電壓呈現(xiàn)下降趨勢。在施肥與施藥后，微生物燃料電池電壓出現(xiàn)高峰值的時間有所不同，這可歸咎于微生物燃料電池中“燃料”（可氧化底物）存在與否及其濃度大小。土壤施用尿素后轉(zhuǎn)變?yōu)殇@離子（燃料）需要一系列過程[17]，因而其經(jīng)微生物氧化產(chǎn)電達(dá)到電壓高峰值所需時間較長，而敵百蟲可直接被微生物氧化降解[19]，因而電池電壓出現(xiàn)高峰值所用的時間較短。施肥或施藥后微生物電池電壓高峰值有所不同，或許與不同時期土壤微生態(tài)中微生物種類、數(shù)量[20]或根系發(fā)育[21]有關(guān)。

圖2 閉路組電壓變動圖

Figure 2 Fluctuation diagram of closed circuit group voltage

2.2 MFC電極微生物分析

閉路組和開路組陰、陽極共培養(yǎng)出4種細(xì)菌，分別編號為B1、B2、B3和B4，結(jié)果如表1（選取10-7稀釋度平板計數(shù)）。閉路組陽極細(xì)菌有B1、B2和B3，優(yōu)勢細(xì)菌是B1，開路組陽極細(xì)菌有B1、B3和B4，優(yōu)勢細(xì)菌是B3，閉路組陽極細(xì)菌總量是開路組的2倍，優(yōu)勢細(xì)菌是開路組的2.9倍。細(xì)菌B2僅在閉路組陽極培養(yǎng)出。這些結(jié)果與吳義誠等[22]的試驗(yàn)結(jié)果相似，其結(jié)果表明沉積型微生物燃料電池在開、閉路條件下啟動陽極不同生物膜形成，細(xì)菌群落在門水平差異最明顯的為不同比例的、和存在，即MFC開路、閉路條件影響電極的微生物群落結(jié)構(gòu)。本研究中開、閉路組陰極都只培養(yǎng)出B3和B4細(xì)菌，且閉路組陰極的B4細(xì)菌數(shù)量是開路組的7倍，而開路組陰極細(xì)菌B3的數(shù)量是閉路組的1.8倍，說明MFC的運(yùn)行對陰、陽極的細(xì)菌種類和數(shù)量有影響。另外在本研究構(gòu)建的生物陰極型MFC中，細(xì)菌B4很可能參與陰極生物學(xué)反應(yīng)，這與Holmes等[23]發(fā)現(xiàn)的沉積型MFC的產(chǎn)電運(yùn)行與陰極微生物（）參與生物學(xué)反應(yīng)有關(guān)。B4-不動桿菌（）的存在有利于生物膜的形成，MFC陰極生物膜的存在可以提高M(jìn)FC的放電性能[24-26]。說明在閉路組陰極富集的B4（sp.）有利于MFC良好運(yùn)行。

表1 閉路組和開路組陰、陽極細(xì)菌數(shù)量

注：同列數(shù)據(jù)間小寫字母不同者為差異顯著(＜0.05)。下同。

表2 4株細(xì)菌傳統(tǒng)分類試驗(yàn)結(jié)果

注：“+”代表陽性，“-”代表陰性，“NS”為未做。

圖3 基于16S rDNA序列的B1系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建

Figure 3 Construction of B1 phylogenetic tree based on 16S rDNA sequence

表3 不同處理組對水稻生物量和根系活力的影響

4株細(xì)菌的革蘭染色和系列生理生化試驗(yàn)分析，結(jié)果見表2。利用測序獲得的細(xì)菌B1 16S rDNA序列進(jìn)行Blast分析，利用MEGA5.0構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹見圖3，而細(xì)菌B2，B3和B4測序結(jié)果進(jìn)行Blast同源性收索，結(jié)果分別與sp.(MN519570.1)，(MH261024.1)，(MK286953.1)等；(MK743993.1)，sp.(MT071.452.1)，(AP022643.1)等；(NR117624.1)，sp.(LR735479.1)，sp.(MN988672.1)等菌株序列相似性達(dá)100%。根據(jù)細(xì)菌種屬檢索表[15]和分子鑒定結(jié)果，將B1、B2、B3和B4分別鑒定為，sp.，sp.和sp.。B1()在閉路組MFC陽極上數(shù)量最多，這與謝作甫等[27]總結(jié)的關(guān)于產(chǎn)電微生物種類結(jié)果相符—枯草芽孢桿菌()是常見的產(chǎn)電微生物。 Nimje等[28]的研究結(jié)果也表明，枯草芽孢桿菌具有電化學(xué)活性，是一種可以產(chǎn)生64.0 mA?m-2電流密度的潛在產(chǎn)電細(xì)菌[29]。在MFC中，用枯草芽孢桿菌純培養(yǎng)法對甘油進(jìn)行了產(chǎn)電降解，穩(wěn)態(tài)極化曲線表明其最高功率密度為0.06 mW?cm-2[30]。Hassan等[31]對石化工業(yè)微生物集合體（IMC）和本地微生物集合體（DMC）接種的MFC降解2,4-二氯苯酚反應(yīng)器中的微生物群落鑒定中發(fā)現(xiàn)以sp.為主的IMC菌群具有較高的產(chǎn)電量（156 mA?m-2），酚降解率達(dá)41%。Wang等[32]研究表明濕地MFC運(yùn)行對菲、蒽的平均清除率為88.5%～96.4%，細(xì)菌群落分布研究表明對難降解有機(jī)物有降解能力的、、和的豐度顯著增加，特別是能夠分泌過氧化氫酶的芽孢桿菌屬（sp.）。本研究構(gòu)建可降解敵百蟲的生物陰極MFC（另文發(fā)表）的陽極微生物分析表明，（B1）和sp.（B2）存在富集，這與前人關(guān)于sp.具有產(chǎn)電性能的報道相符。

2.3 MFC運(yùn)行對水稻生物量及根系活力影響

閉路組、開路組及空白組水稻根系須根數(shù)、鮮重、干重和根系活力數(shù)據(jù)見表3，3組的須根數(shù)、鮮重、干重和根系活力分別為（16±3）、（18±6）、（17±2）個；（3.444±0.441）、（1.734±0.601）、（1.916±0.369 ）g；（0.916±0.123）、（0.625±0.249）、（0.720±0.221）g和（363.904±20.695）、（179.345±3.642）、（189.616±189.8）μg?(g·h)-1。在須根數(shù)量上，3個處理組間無顯著差異，但在鮮重、干重和根系活力方面，閉路組與開路組、空白組間存在明顯差異，而開路組與空白組間差異不明顯。三種不同處理下水稻須根數(shù)量沒有發(fā)生明顯變化，這與水稻須根發(fā)育形成受其基因所調(diào)控有關(guān)[33]。在水稻鮮重和干重方面，閉路組明顯高于開路組（或空白組），其結(jié)果與張海芹等的MFC應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果相同[34]，究其原因可能是MFC的運(yùn)行降低了土壤敵百蟲的濃度，進(jìn)而緩減了其對水稻的不利作用或發(fā)揮了MFC清除逆境脅迫下自由基的作用[35]。在水稻根系活力方面，閉路組明顯高于開路組（或空白組），有研究表明芽孢桿菌屬對于水稻生長具有明顯的促進(jìn)作用[36-37]，MFC運(yùn)行在陽極富集了大量芽孢桿菌，這對水稻的生長具有良好作用，進(jìn)而反映了MFC運(yùn)行下水稻根系強(qiáng)的代謝活性。開路組與空白組在水稻上述各性狀間的影響作用不明顯，說明了稻田組建應(yīng)用微生物燃料電池的可行性（無負(fù)面影響作用）。

3 結(jié)論

敵百蟲是稻田蟲害化學(xué)防治的常用有機(jī)磷農(nóng)藥，其在土壤中的殘留會通過食物鏈進(jìn)而影響人類健康。本研究以經(jīng)施用過敵百蟲的水稻土壤成功構(gòu)建了單室微生物燃料電池，該電池不僅能促進(jìn)水稻的生長，提高水稻的生物量，還能顯著增強(qiáng)水稻的根系活力，這與微生物燃料電池產(chǎn)電運(yùn)行有關(guān)。而MFC電極微生物群落結(jié)構(gòu)的變化是維持MFC運(yùn)行的主要原因，且芽孢桿菌B1和B2與產(chǎn)電密切相關(guān)。本研究將為MFC在稻田中的應(yīng)用提供參考。

[1] 王維大, 李浩然, 馮雅麗, 等. 微生物燃料電池的研究應(yīng)用進(jìn)展[J].化工進(jìn)展, 2014, 33(5): 1068-1070.

[2] 林喬, 王黎, 張捷, 等.微生物燃料電池的研究進(jìn)展[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 53(18): 4257-4260.

[3] 楊永剛, 孫國萍, 許玫英. 微生物燃料電池在環(huán)境污染治理研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 微生物學(xué)報, 2010, 7(4): 847-850.

[4] 吳春英, 谷風(fēng), 白鷺. 微生物燃料電池應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展[J]. 桂林理工大學(xué)學(xué)報, 2015, 35(3): 5572-574.

[5] 田靜. 土壤微生物燃料電池修復(fù)復(fù)合污染土壤的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 北京: 北京化工大學(xué), 2016.

[6] WANG X, CAI Z, ZHOU Q, et al. Bioelectrochemical stimulation of petroleum hydrocarbon degradation in saline soil using U‐tube microbial fuel cells[J]. Biotechnol Bioeng, 2012, 109(2): 426-433.

[7] HABIBUL N, HU Y, SHENG G P. Microbial fuel cell driving electrokinetic remediation of toxic metal contaminated soils [J]. J Hazard Mater, 2016, 318: 9-14.

[8] YU B, TIAN J, FENG L. Remediation of PAH polluted soils using a soil microbial fuel cell: Influence of electrode interval and role of microbial community[J]. J Hazard Mater, 2017, 336: 110-118.

[9] CAO X, YU C, WANG H, et al. Simultaneous degradation of refractory organic pesticide and bioelectricity generation in a soil microbial fuel cell with different conditions[J]. Environ Technol, 2017, 38(8): 1043-1050.

[10] 林博. 水稻土微生物燃料電池陽極微生物群落結(jié)構(gòu)及對底物的差異響應(yīng)[D]. 北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

[11] 朱娟平, 王健, 張?zhí)? 等. 濕地植物-沉積物微生物燃料電池陽極微生物群落多樣性研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2016, 36(11): 4017-4024 .

[12] LI C, ZHANG L B, DING L L, et al. Effect of conductive polymers coated anode on the performance of microbial fuel cells (MFCs) and its biodiversity analysis[J]. Biosens Bioelectron , 2011, 26(10): 4169-4176.

[13] 王輝, 李蕾, 曹羨, 等. 土壤微生物燃料電池在不同條件下的產(chǎn)電性能及微生物群落結(jié)構(gòu)分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2017, 47(6): 1141-1147.

[14] 黃燕新, 李萍, 顏幼平. 微生物燃料電池陽極產(chǎn)電菌的選育[J]. 廣東化工,2010, 37(7): 137-1383.

[15] 李振高, 駱永明, 滕應(yīng). 土壤與環(huán)境微生物研究法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008.

[16] 鄭丹, 王吉騰, 張志勇, 等. 梨園土壤細(xì)菌群落參數(shù)及優(yōu)勢細(xì)菌的16SrDNA分析[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2008, 24(6): 379-383.

[17] 丁漢卿. 土壤磷鐵比和過氧化尿素對水稻根表鐵膜形成和水稻鎘吸收的影響[D]. 廣州:華南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2016.

[18] SIGURDARSON J J, SVANE S, KARRING H. The molecular processes of urea hydrolysis in relation to ammonia emissions from agriculture [J]. Rev Environ Sci Bio/Technology, 2018, 17(2): 241-258.

[19] 田江.微生物降解農(nóng)藥的特性及其在土壤復(fù)合農(nóng)藥污染修復(fù)中的應(yīng)用[D]. 武漢: 武漢大學(xué), 2017.

[20] JOTHINATHAN D, WILSON R T. Comparative analysis of power production of pure, coculture, and mixed culture in a microbial fuel cell [J]. Energy Sources Part A: Recover Util Environ Eff, 2017, 39(5):520-527.

[21] TIMMERS R A, STRIK D P, HAMELERS H V M, et al. Long-term performance of a plant microbial fuel cell with Spartina anglica[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2010, 86(3): 973-981.

[22] 吳義誠, 鄧全鑫, 王澤杰, 等. 開閉路條件下沉積物微生物燃料電池陽極細(xì)菌群落差異解析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2016, 37(12): 4768-4772.

[23] HOLMES D E, BOND D R, O'NEIL R A, et al. Microbial communities associated with electrodes harvesting electricity from a variety of aquatic sediments [J]. Microb Ecol, 2004, 48(2): 178-190.

[24] 尹亞琳, 高崇洋, 趙陽國, 等. 好氧-厭氧混合污泥啟動微生物燃料電池產(chǎn)電性能及微生物群落動態(tài)特征[J]. 微生物學(xué)報, 2014, 54(12): 1471-1480.

[25] ZHAO Y, LI P, WANG X B, et al. Influence of initial biofilm growth on electrochemical behavior in dual- chambered mediator microbial fuel cell[J]. J Fuel Chem Technol , 2012, 40(8): 967-972.

[26] 王井玉, 黃衛(wèi)民, 王璇, 等. 生物膜電極在以苯酚為燃料的微生物燃料電池中的應(yīng)用[J]. 高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報, 2013, 34(4): 975-979.

[27] 謝作甫, 鄭平, 張吉強(qiáng), 等. 產(chǎn)電微生物及其生理生化特性[J]. 科技通報, 2013, 29(7): 33-34.

[28] NIMJE V R, CHEN C Y, CHEN C C, et al. Stable and high energy generation by a strain of Bacillus subtilis in a microbial fuel cell [J]. J Power Sources, 2009, 190(2): 258-263.

[29] HASSAN H, JIN B, DAI S, et al. Chemical impact of catholytes on Bacillus subtilis-catalysed microbial fuel cell performance for degrading 2, 4-dichlorophenol[J]. Chem Eng J, 2016, 301: 103-114.

[30] NIMJE V R, CHEN C Y, CHEN C C, et al. Glycerol degradation in single-chamber microbial fuel cells[J]. Bioresour Technol, 2011, 102(3): 2629-2634.

[31] HASSAN H, JIN B, DONNER E, et al. Microbial community and bioelectrochemical activities in MFC for degrading phenol and producing electricity: microbial consortia could make differences[J]. Chem Eng J, 2018, 332: 647-657.

[32] WANG J F, SONG X S, LI Q S, et al. Bioenergy generation and degradation pathway of phenanthrene and anthracene in a constructed wetland-microbial fuel cell with an anode amended with nZVI[J]. Water Res, 2019, 150: 340-348.

[33] YOO S C, CHO S H, PAEK N C. Rice WUSCHEL- related homeobox 3A(OsWOX3A)modulates auxin-transport gene expression in lateral root and root hair development[J]. Plant Signal Behav, 2013, 8(10): e25929.

[34] 張海芹, 殷瑤, 吳江, 等. 微生物燃料電池對去除稻田硫離子的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2013, 32(7): 1355-1360.

[35] KOLEVA R, YEMENDZHIEV H, NENOV V. Microbial fuel cell as a free-radical scavenging tool [J]. Biotechnol Biotechnol Equip, 2017, 31(3):511-515.

[36] CHUNG E J, HOSSAIN M T, KHAN A, et al. Bacillus oryzicola sp. nov., an endophytic bacterium isolated from the roots of rice with antimicrobial, plant growth promoting, and systemic resistance inducing activities in rice[J]. Plant Pathol J, 2015, 31(2): 152-164.

[37] 張榮勝, 戴秀華, 劉永鋒, 等. 解淀粉芽孢桿菌 Lx-11 的促水稻生長作用及促生長物質(zhì)分析[J]. 核農(nóng)學(xué)報, 2018, 32(6): 1230-1238.

Analysis of electrode bacteria of soil microbial fuel cell (MFC) and the effects of its operation on rice growth activities

OUYANG Hu1, ZHOU Jian1, REN Jianguo1,2, WANG Junli1

(1. School of Public Health, Guizhou Medical University, Key Laboratory of Environmental Pollution Monitoring and Disease Control, Ministry of Education, Guiyang 550025; 2.Guizhou Provincial Engineering Research Center of Food Nutrition and Health, Guiyang 550025)

The enriched bacterial genus on the electrodes of MFC and the effects of MFC operation on rice growth activities were investigated in the present study with pot experiments. The bacteria of the carbon felt on the cathodes and anodes were cultured with a two-layer agar plate and counted according to the number of viable colonies on plates. The bacteria were identified based on the characteristics of cell morphology, the results of physiological and biochemical tests and the analysis of 16S rDNA sequence. The effects of MFC (closed circuit group) operation on the growth activities of rice were investigated with weighting and α-naphthylamine oxidation methods. MFC was successfully constructed in this experiment. The results showed that the total quantity of B1, B2 and B3 existing in the carbon felts of the anode in closed circuit group was 3.4×108CFU?g-1, especially the dominant strain B1 was 2.9×108CFU?g-1. While the whole quantity of B1, B3 and B4 living in the carbon felts of the anode in open circuit group was 1.5×108CFU?g-1, and the dominant strain B3 was 1.1×108CFU?g-1. Only culturable B3 and B4 appeared in the cathodes of the closed and open circuit group, and the quantity of B4 in the closed circuit group was seven times as that in open circuit group. Compared with open circuit and blank groups, no significant differences existed on the number of fibrous roots for closed circuit group, but the striking differences in fresh and dry weight and root activities. There were no obvious differences among all the items assayed in this experiment for open circuit and blank groups. MFC operation could promote the growth of rice and the enrichment of electrogenic microorganisms B1() and B2()on carbon felts of the anode in the closed circuit group.

microbial fuel cell; dominant bacteria; rice; growth; electrogenic microorganism

X172; S511.061

A

1672-352X (2021)01-0115-06

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210319.016

2021-3-23 13:01:35

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210319.1544.032.html

2020-04-29

貴州省2017年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(DC201710660008)，貴州省科學(xué)技術(shù)基金項目（黔科合J字[2013]2057號），貴州省區(qū)域內(nèi)一流學(xué)科建設(shè)項目-公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)（黔教科研發(fā)2017[85]號），貴陽市科技局基金[筑科合同(20151001)社20號]和貴州省高等學(xué)校工程研究中心項目（黔教合KY字[2021]008）共同資助。

歐陽湖，碩士研究生。E-mail：923694845@qq.com

王俊麗，博士，副教授。E-mail：411395583@qq.com