檸檬酸對MFC修復(fù)土壤的促進作用

孫藝倫，張婧然，朱丹丹，李先寧

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京，210096）

隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，大量工業(yè)活動產(chǎn)生的Cu，Cd，Cr，Pb 和As 等重金屬通過不同方式進入土壤，造成土壤重金屬污染[1-4]。重金屬在土壤中具有隱蔽性和累積性，能被土壤膠體吸附而長期存在，不能被微生物降解，甚至可以轉(zhuǎn)化成毒性更強的物質(zhì)，給土壤污染治理帶來更大的難度。此外，重金屬對于土壤環(huán)境的危害不僅取決于其總量，更取決于其在土壤中的存在形態(tài)和各形態(tài)所占的比例[5-6]，因此，對于重金屬污染土壤的修復(fù)工作很有必要。

微生物燃料電池（MFCs）是一種利用微生物作為催化劑，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置[7-8]，因其具備成本低、可持續(xù)性、無需能量輸入、清潔環(huán)保、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點[9-10]，被廣泛應(yīng)用于處理環(huán)境污染問題。土壤分布廣，易獲取，存在著大量種類豐富的有機質(zhì)和產(chǎn)電菌，且MFC 產(chǎn)生的內(nèi)部電場可以定向驅(qū)動土壤中重金屬離子的遷移，使重金屬富集在既定土壤區(qū)域內(nèi)，因此，在土壤中構(gòu)建微生物燃料電池具有天然的優(yōu)勢。目前MFC 已被用來凈化重金屬污染土壤。HABIBUL等[11]利用雙室MFC修復(fù)Cd和Pb污染土壤，發(fā)現(xiàn)重金屬富集在靠近陰極的土壤區(qū)域，而靠近陽極的土壤中Cd 和Pb 去除率分別可以達到31.0%和44.1%。CHEN 等[12]研究了MFC 對土壤中Zn 和Cd的去除，發(fā)現(xiàn)去除的主要為酸提取態(tài)和可還原態(tài)重金屬。以上研究雖證實了利用MFC 實現(xiàn)土壤中重金屬遷移去除的可行性，但MFC 的應(yīng)用仍存在以下2 個限制：1）高富集土壤中重金屬的進一步處理；2）土壤中堿性環(huán)境限制了重金屬的可移動性。為有效解決這2 個問題，提升MFC 的凈化效能和適用性，本文作者構(gòu)建包括陽極室、土壤室和陰極室在內(nèi)的三室土壤MFC，利用MFC產(chǎn)生的內(nèi)部電場驅(qū)動土壤中的銅遷移進入陰極，并在陰極的還原作用下還原沉積在陰極片上，實現(xiàn)重金屬與土壤的完全剝離；引入檸檬酸投加到土壤中，以實現(xiàn)重金屬的脫附，提升重金屬的可移動性。檸檬酸是一種可持續(xù)的、可生物降解的土壤淋洗劑[13-14]，已被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染治理[15-17]。本研究從土壤MFC 產(chǎn)電性能、銅去除效能、銅的遷移能力以及土壤典型理化性質(zhì)等角度，分析檸檬酸投加量對MFC 性能的影響機制，以期為提高MFC的整體性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與制備

實驗用土采自南京市長江邊的農(nóng)業(yè)林地，取0～20 cm 厚的表層土壤，剔除植物、石子等雜物，經(jīng)自然風(fēng)干后過篩（孔徑為2 mm），于室溫下保存。土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 實驗用土的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of experimental soil

實驗所用污染土壤的重金屬濃度是根據(jù)GB15618—1995“土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”中Ⅲ類農(nóng)田土壤中的銅質(zhì)量分數(shù)（≤400×10-6）標(biāo)準(zhǔn)，人工配置質(zhì)量分數(shù)為500×10-6的銅污染土壤。根據(jù)實驗所需質(zhì)量分數(shù)，稱取一定質(zhì)量的CuSO4·5H2O 溶于純水后混入土壤，攪拌均勻，密封并置于室溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 MFC的構(gòu)建與運行

本實驗中采用的三室MFC 由兩側(cè)的陽極室、陰極室以及中間的土壤修復(fù)室3 個部分組成（見圖1）。裝置整體采用有機玻璃材料，陽極室和陰極室為立方體構(gòu)型（邊長為60 mm），土壤修復(fù)室長為100 mm，寬為60 mm，高為60 mm，依次劃分為I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ共4 個區(qū)域。搭建裝置時用質(zhì)子交換膜（PEM）和陽離子交換膜（CEM）分別將陽極室、陰極室與土壤室隔開；以碳氈（長為60 mm，寬為60 mm，厚為5 mm）作為陽極電極材料，不銹鋼片（長為60 mm，寬為60 mm，厚為1 mm）作為陰極電極，用鈦絲分別將陽極和陰極導(dǎo)出，并連接1 000 Ω的電阻構(gòu)成閉合回路。

圖1 三室土壤MFC構(gòu)造示意圖Fig.1 Structural diagram of three-chamber soil MFC

在MFC 啟動階段，向裝置的土壤室和陰極室加滿純水，向陽極室加入10 mL馴化處理后的接種污泥（取自南京市某污水處理廠厭氧池）和氮吹處理過的營養(yǎng)液（成分見表2）。在培養(yǎng)過程中持續(xù)監(jiān)測陽極電勢，待電勢穩(wěn)定后，將加入的純水倒出并將裝置擦凈，向土壤室中加入360 g Cu污染土壤和300 mL純水/檸檬酸溶液，在陰極室中加入210 mL磷酸鹽緩沖溶液。為了保證遷移到陰極的銅離子在陰極電極上被還原而不是沉淀在陰極液中，將磷酸鹽緩沖液的pH 設(shè)為3，并保證實驗過程中陰極液的pH 始終維持在3.00±0.03。靜置2 d 后連接電阻（1 000 Ω）開始實驗。

表2 營養(yǎng)液成分（質(zhì)量濃度）Table 2 Nutrient solution composition（mass concentration）mg/L

1.3 實驗設(shè)計

為探究檸檬酸對MFC 修復(fù)重金屬土壤的影響機制，實驗選用不同濃度（0.2，0.5 和1 mol·L-1）的檸檬酸分別加入土壤作為實驗組（土樣編號分別為MFC-1，MFC-2 和MFC-3），對照組土壤（MFC-W）則加入等量純水。在實驗過程中，每7 d 更換1 次陽極室的營養(yǎng)液，并調(diào)節(jié)陰極液的pH。將土壤室從陽極到陰極方向等分為4 個部分，即區(qū)域I，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ，各部分每7 d取1次土樣。每組裝置設(shè)置2個平行組，所有實驗都在30 ℃的條件下運行。

1.4 分析與測試

1.4.1 電化學(xué)指標(biāo)的測定

使用數(shù)據(jù)采集器（DAM3210 和DAM3057，北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司），每30 min 測1 次MFC 的電壓U并保存。此外，MFC 陽極與陰極電勢均使用飽和甘汞參比電極（232 型，上海雷磁儀器廠）測得。

實驗中采用穩(wěn)態(tài)法測定極化曲線，在MFC 保持斷路狀態(tài)穩(wěn)定12 h后，改變負載電阻（從10 000 Ω連續(xù)降到50 Ω），待裝置穩(wěn)定1 h 后測得電壓。根據(jù)歐姆定律I=U/R求得電流，再根據(jù)J=I/VAN，P=U2/VAN，分別求得電流密度J以及功率密度P，其中I為電流，VAN為陽極體積[18]。MFC 的內(nèi)阻則根據(jù)電流密度和電壓所繪的極化曲線的斜率求得[18]。

1.4.2 分析測試方法

將土樣和水（無CO2）以1.0∶2.5 的質(zhì)量比混合，然后分別用pH計和電導(dǎo)率測定儀測得實驗中的pH和電導(dǎo)率。土壤中Cu 的總質(zhì)量采用微波消解法測得，將0.1 g 土樣與王水混合，用微波消解儀（MDS-6G，上海）消解，再使用原子吸收光譜儀（AAS400,Perkin-Elmer）進行測定。不同形態(tài)Cu 含量的測定如下：取0.1 g 冷凍干燥后的土樣通過三級連續(xù)提取法（BCR）[19-20]進行測定，測定順序依次為乙酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)以及殘渣態(tài)Cu。用c·c0-1表示修復(fù)后的Cu 標(biāo)準(zhǔn)化濃度，其中c為MFC修復(fù)后剩余總Cu濃度，c0為土壤初始總Cu濃度。

實驗結(jié)束后，將實驗裝置的陰極電極片取出，并進行掃描電鏡（SEM）和X 線衍射（XRD）檢測，分析陰極還原產(chǎn)物的成分結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)電性能

在不同檸檬酸濃度下，MFC 輸出電壓如圖2（a）所示，可見各實驗組電壓均隨時間呈階段性上升。圖中，箭頭所示位置為陽極營養(yǎng)液投加時間點，MFC 的輸出電壓隨營養(yǎng)液的加入顯著上升，隨營養(yǎng)物質(zhì)的消耗電壓下降，即電壓隨營養(yǎng)液更換呈周期性變化。對比各實驗組輸出電壓可知：隨著檸檬酸濃度的增加，MFC 的輸出電壓也隨之增大，MFC-W，MFC-1，MFC-2 和MFC-3 穩(wěn)定后平均電壓分別為0.373，0.400，0.427 和0.464 V。圖2（b）所示為MFC 的功率密度曲線和極化曲線。從圖2（b）可見：與輸出電壓的變化一致，MFC 最大功率密度隨著檸檬酸濃度的增加而增加，當(dāng)檸檬酸濃度達到1 mol·L-1時，最大功率密度為0.99 W·m-3。依據(jù)極化曲線的線性區(qū)域計算結(jié)果可知，隨著檸檬酸投加濃度增加，各裝置內(nèi)阻依次為685，658，600 和494 Ω，將其與對應(yīng)的檸檬酸濃度作圖，結(jié)果如圖2（c）所示。由數(shù)據(jù)擬合分析可知，檸檬酸的添加使MFC 的內(nèi)阻降低，且與內(nèi)阻呈顯著線性相關(guān)（擬合優(yōu)度R2=0.927）。MFC內(nèi)阻的降低是由于檸檬酸提高了土壤中質(zhì)子傳遞速率和離子遷移速率，檸檬酸濃度越高，這種促進效果越明顯，MFC 的內(nèi)阻越低，進而影響輸出電壓和功率密度。由此可知，檸檬酸濃度越高，MFC 的產(chǎn)電性能越好。

圖2 不同檸檬酸濃度下MFC的產(chǎn)電性能Fig.2 Electricity generation performance of MFC at different citric acid concentrations

2.2 Cu的遷移去除

將添加不同濃度檸檬酸的MFC 修復(fù)前后的土樣進行取樣，對每段土樣進行BCR 連續(xù)提取，實驗結(jié)果如圖3（a）所示。從圖3（a）可見：MFC-W 中Cu 的初始形態(tài)里乙酸可提取態(tài)質(zhì)量分數(shù)最低，可還原態(tài)Cu 質(zhì)量分數(shù)最高；隨著檸檬酸濃度的增加，可還原態(tài)Cu 的質(zhì)量分數(shù)逐漸減少，相應(yīng)的乙酸提取態(tài)Cu 質(zhì)量分數(shù)顯著提高（概率p＜0.05），即檸檬酸主要將可還原態(tài)Cu 轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜峥商崛B(tài)Cu?？傮w上看，MFC-W中可還原態(tài)和乙酸提取態(tài)Cu 質(zhì)量分數(shù)都較修復(fù)前下降，但前者從區(qū)域I～Ⅳ呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，后者則逐漸升高。MFC-1經(jīng)修復(fù)后乙酸提取態(tài)Cu質(zhì)量分數(shù)顯著降低（概率p＜0.05）且可氧化態(tài)Cu 質(zhì)量分數(shù)顯著升高（概率p＜0.05），推測MFC-1中乙酸提取態(tài)Cu并非被全部遷移去除，而是一部分轉(zhuǎn)化為可氧化態(tài)Cu。MFC-2 和MFC-3 修復(fù)前后變化最為顯著的都是乙酸提取態(tài)Cu 質(zhì)量分數(shù)，且從區(qū)域I～Ⅳ均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，但區(qū)別在于MFC-2 的可還原態(tài)和可氧化態(tài)Cu質(zhì)量分數(shù)都略微升高，而MFC-3的其他形態(tài)Cu 質(zhì)量分數(shù)變化并不明顯。綜上所述可知檸檬酸濃度越高，其維持Cu處于可移動狀態(tài)（乙酸可提取態(tài)）的能力越強，Cu由乙酸提取態(tài)向其他形態(tài)轉(zhuǎn)化的概率更小。因為在土壤中加入檸檬酸后，金屬會與其形成金屬-配體絡(luò)合物，但經(jīng)過較長時間后，部分檸檬酸被微生物分解利用，導(dǎo)致金屬被釋放，重新釋放的金屬在還原條件下轉(zhuǎn)化成可氧化態(tài)[21]。該過程對低濃度檸檬酸的實驗組結(jié)果影響較大，因此，檸檬酸濃度越高，各形態(tài)Cu的遷移去除越徹底。

實驗結(jié)束后，不同土樣總Cu 在土壤中的遷移情況如圖3（b）所示。從圖3（b）可見：各土樣中總Cu濃度從I～Ⅲ區(qū)均逐漸升高，但在近陰極區(qū)（Ⅳ區(qū)）均突然下降；除了MFC-W外，添加檸檬酸的各土樣中總Cu 都得到一定程度的去除，且隨著檸檬酸濃度升高，去除效果越好，效果最好的土樣（MFC-3）在I～Ⅳ區(qū)的土壤總Cu 遷移去除率分別為56.67%，26.05%，5.83%和49.87%。此外，各土樣Ⅳ區(qū)的總Cu去除效果也很顯著，這是因為近陰極區(qū)pH較低，提高了Cu 的潛在遷移能力，且該區(qū)遷移路徑最短，有利于Cu的遷移。

圖3 不同檸檬酸濃度下MFC中Cu的遷移去除情況Fig.3 Migration and removal of Cu in MFC under different citric acid concentrations

取樣后，將裝置剩余土壤混合均勻，再次取樣測量總Cu 濃度，得到不同檸檬酸濃度下各土樣總Cu 去除率，如圖3（c）和圖3（d）所示?？梢娂尤霗幟仕岷螅寥乐锌侰u 的去除率得到顯著提高，且檸檬酸濃度與總Cu 去除率呈顯著線性相關(guān)（R2=0.970）。MFC-3 的總Cu 去除量為66.58 mg，去除率可達37.03%，為對照組的2.02 倍。結(jié)合前述討論可知，檸檬酸的投加對重金屬去除效能的影響主要是基于以下2個方面：1）通過提升土壤電導(dǎo)率顯著提高了MFC 的產(chǎn)電性能；2）其對重金屬可移動性存在提升和維持作用。

2.3 Cu的還原

實驗結(jié)束時，觀察到裝置陰極電極片上均有紅褐色沉淀，對其進行SEM和XRD測試，結(jié)果見圖4。從圖4（a）可見：MFC-W陰極片的團聚物形態(tài)如花椰菜狀，體積較??；其他實驗組的團聚體由若干小團聚物組成，呈樹枝狀結(jié)構(gòu)，體積較大。由圖4（b），（c）和（d）可以看出：隨著檸檬酸濃度的增大，電極片上的沉積物分布越密集。本文陰極還原產(chǎn)物的形態(tài)分布與RODENAS等[22]研究結(jié)果相似，原因是：1）檸檬酸濃度越高，對Cu2+向陰極遷移還原的促進作用越大，陰極還原產(chǎn)物增大了電極的接觸面積，有利于后續(xù)Cu2+在之前的沉積物上被還原[23]；2）檸檬酸濃度增加，其對產(chǎn)電性能的促進作用增強，使電流密度變大，加速Cu2+在陰極的還原及其還原產(chǎn)物的堆砌[22]。將陰極片上的沉積物刮下進行XRD檢測，結(jié)果如圖4（e）所示。從圖4（e）可見：在43.3°，50.5°和74.2°處均發(fā)現(xiàn)Cu 單質(zhì)的特征衍射峰，且衍射峰的強度隨檸檬酸濃度的升高而增加；此外，陰極還原產(chǎn)物均為Cu 單質(zhì)，與是否添加檸檬酸無關(guān)。

圖4 不同檸檬酸濃度下MFC陰極的Cu還原Fig.4 Cu reduction of MFC cathode under different citric acid concentrations

2.4 pH和電導(dǎo)率變化

土壤修復(fù)前后的pH 變化如圖5（a）所示。從圖5（a）可見：土壤的初始pH 隨檸檬酸濃度的升高而降低，MFC-W，MFC-1，MFC-2 和MFC-3 土樣初始pH 分別為7.8，6.6，4.0 和3.3；經(jīng)過84 d 的運行，MFC-W 的pH 從陽極到陰極逐漸升高，而添加檸檬酸的實驗組的pH變化情況則相反：檸檬酸濃度越高，pH 從陽極到陰極下降的趨勢越明顯。這是因為：1）對照組土壤呈堿性，不利于質(zhì)子的遷移，但添加檸檬酸后，檸檬酸解離產(chǎn)生H+，內(nèi)部電場強度增大，加速了質(zhì)子的傳遞[24]；2）有機酸的生物降解造成了土壤pH 升高[25]；3）質(zhì)子在電場的驅(qū)動下向Ⅳ區(qū)遷移。此外，實驗組土樣Ⅳ區(qū)的pH顯著下降，這與陰極液中較高濃度的H+向土壤室中擴散有關(guān)。如圖5（b）所示，由于高濃度的檸檬酸可以從土壤中萃取更多的離子，隨著檸檬酸濃度升高，土壤初始電導(dǎo)率增加，MFC-W，MFC-1，MFC-2 和MFC-3 土樣初始電導(dǎo)率分別為0.919，1.398，3.550 和6.590 mS·cm-1。修復(fù)后，各土樣I～Ⅳ區(qū)的電導(dǎo)率均比修復(fù)前的高，這是因為土壤中有大量的不溶性鹽類，在整個修復(fù)過程中，檸檬酸不斷與其作用，使得可移動自由離子從土壤中不斷溶出，電導(dǎo)率也隨之逐漸增加。包括對照組土樣在內(nèi)，各實驗組土樣I區(qū)的電導(dǎo)率均顯著高于Ⅱ和Ⅲ區(qū)的電導(dǎo)率（MFC-3 除外），這與陽極不斷產(chǎn)生H+有關(guān)，雖然該區(qū)域pH沒有降低，但在實驗過程中陽極室傳遞進入土壤中的H+與土壤中的鹽類發(fā)生了反應(yīng)，溶出的離子使得電導(dǎo)率升高。實驗組土樣Ⅳ區(qū)土壤電導(dǎo)率最高，主要是受到陽離子在此處聚集的影響，一方面，檸檬酸與Cu2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成帶正電的復(fù)合基團，受到電場力作用向陰極遷移；另一方面，陰極液中H+向土壤室近陰極區(qū)擴散，造成近陰極區(qū)電導(dǎo)率升高。

圖5 不同檸檬酸濃度下土壤修復(fù)前后pH和電導(dǎo)率的變化Fig.5 Changes of pH and conductivity before and after soil restoration under different citric acid concentrations

3 結(jié)論

1）向土壤中添加檸檬酸顯著提高了MFC 的產(chǎn)電性能，且檸檬酸濃度越高，對產(chǎn)電的促進作用越明顯。當(dāng)檸檬酸濃度從0 mol·L-1增加到1 mol·L-1時，MFC 的最大輸出電壓提高了17.7%，最大功率密度提高了32%，內(nèi)阻顯著降低；當(dāng)檸檬酸濃度為1 mol·L-1時，內(nèi)阻最大降低了28%。

2）檸檬酸顯著提高了土壤中乙酸提取態(tài)Cu的質(zhì)量分數(shù)，這表明土壤中重金屬的潛在遷移能力提高。檸檬酸可以通過提升土壤重金屬遷移能力和電遷移速率，提高MFC 的產(chǎn)電性能和重金屬去除效能，且檸檬酸濃度與總Cu 去除率呈顯著線性相關(guān)（R2=0.970），檸檬酸濃度越高，MFC 對Cu 的遷移去除效果越好。

3）在MFC內(nèi)部電場的作用下，土壤中的Cu實現(xiàn)了從陽極到陰極的遷移，并在陰極被還原，沉積在陰極片上。陰極還原產(chǎn)物為單質(zhì)Cu，檸檬酸濃度越高，陰極電極片上Cu的質(zhì)量分數(shù)越高。

4）隨著檸檬酸的加入，土壤pH從7.8降至3.3。在不同檸檬酸濃度下，MFC土壤的pH從陽極到陰極均逐漸降低，且檸檬酸濃度越高，pH 越低；電導(dǎo)率則呈現(xiàn)相反的規(guī)律，從初始0.919 mS·cm-1提高至6.590 mS·cm-1，且在不同檸檬酸濃度下，MFC土壤電導(dǎo)率較修復(fù)前均進一步升高。