人工濕地-微生物燃料電池系統(tǒng)對十二烷基苯磺酸鈉的微生物響應(yīng)特征

王曉歐，夏唯宜，王慧欣，李佳音，薛明

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

直鏈烷基苯磺酸鹽（linear alkyl-benzene sulfonate，LAS）作為日化領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的陰離子表面活性劑，被添加于各種清潔劑與洗滌劑中，因此，烷基苯磺酸鹽及其降解中間產(chǎn)物已經(jīng)成為環(huán)境中常見的代表性有機污染物。據(jù)統(tǒng)計，城市生活污水中烷基苯磺酸鹽的濃度范圍為3～21 mg·L-1[1]，由于農(nóng)村用水量少，推測農(nóng)村生活污水中烷基苯磺酸鹽濃度更高。烷基苯磺酸鹽屬于中等毒性物質(zhì)，且不易生物降解，在20余種同系物中，C10～C12烷基苯磺酸鹽的毒性顯著高于碳鏈更短或更長的烷基苯磺酸鹽。由于具有增溶、起泡、潤濕、滅菌、消毒等作用，環(huán)境中殘存的烷基苯磺酸鹽會對生態(tài)平衡、生物安全與人體健康造成直接或間接危害。

人工濕地（constructed wetland，CW）模擬自然濕地的結(jié)構(gòu)與功能，利用系統(tǒng)中填料、水生植物和微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用對污水進行凈化，具有投資低、景觀生態(tài)相容性好、可實現(xiàn)廢水資源化利用等特點，在農(nóng)村生活污水、地表水體污染與面源污染處理、以及污水廠尾水深度處理中有著很大的推廣應(yīng)用價值[2-4]。人工濕地系統(tǒng)去除LAS 的途徑包括植物吸收、填料吸附/解吸、微生物降解等，其中，吸附和生物降解共同作用是主要途徑。但是LAS 所需生物降解時間較長，即使在好氧條件下也需要2～4 d，厭氧條件下半衰期可長達33 d[5]。傳統(tǒng)人工濕地長期處于厭氧或缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致LAS生物降解較慢。

近年來，許多研究將微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）技術(shù)引入濕地，構(gòu)建CW-MFC 耦合系統(tǒng)以強化人工濕地對難降解有機物的去除效果，比如石油烴類化合物、硝基苯、偶氮染料、抗生素等[6-9]。MFC 的基本工作原理是以電化學(xué)活性菌（electrochemically active bacteria，EAB）為生物催化劑，將有機物在陽極（厭氧環(huán)境）氧化分解并釋放出H+和e-，H+通過質(zhì)子交換膜（或無膜）轉(zhuǎn)移至陰極（好氧環(huán)境），e-經(jīng)外電路遷移至陰極形成電流，并與電子受體（氧氣、硝酸鹽或硫酸鹽等）及H+反應(yīng)生成水，最終將有機物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。EAB 可以通過復(fù)雜的電子傳遞途徑將細胞代謝產(chǎn)生的還原當量有效地重新連接到不同的還原酶上，因此EAB 通常對復(fù)雜大分子有機物具有較高的生物還原效率[10]，而這也是MFC能夠強化難降解有機物去除的關(guān)鍵原因。

有研究發(fā)現(xiàn)添加表面活性劑可以強化MFC 性能，比如，Xu 等[11]報道，添加吐溫-80 可強化沉積物MFC 對疏水性有機物多氯聯(lián)苯的降解效果，并降低MFC內(nèi)阻、提高MFC輸出功率；Hwang等[12]報道，添加十二烷基硫酸鈉可通過提高艙底含油廢水的生物可利用性，有效強化MFC 的產(chǎn)電性能和降解性能。分析認為，表面活性劑可通過改變微生物細胞膜的超微結(jié)構(gòu)而提高其滲透性，降低有機底物和電子的跨膜轉(zhuǎn)移阻力，從而改善MFC 的產(chǎn)電性能和污染物降解性能[11-12]。

由上述可知，利用CW-MFC 系統(tǒng)降解烷基苯磺酸鹽具有非常高的可行性?；诖?，本研究以十二烷基苯磺酸鈉（sodium dodecyl benzene sulfonate，SDBS）為目標LAS，考察了CW-MFC 系統(tǒng)對SDBS 的去除效果以及SDBS 對CW-MFC 系統(tǒng)產(chǎn)電性能的影響，并重點探究了CW-MFC 系統(tǒng)中微生物群落對SDBS 的響應(yīng)特征，以期挖掘CW-MFC 中LAS 降解優(yōu)勢微生物，為調(diào)控CW-MFC 系統(tǒng)微生物群落功能以強化LAS 微生物降解提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

本實驗共有2 套CW-MFC 裝置（編號CW-MFC1和CW-MFC2），結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該裝置由有機玻璃制成，高50 cm、內(nèi)徑19 cm。濕地內(nèi)填料層高度為45 cm，從下至上依次是礫石（高5 cm，粒徑20～40 mm）、火山巖（高30 cm，粒徑10～30 mm）、礫石（高5 cm，粒徑5～10 mm）和沙子（高5 cm，直徑1～3 mm）。在距填料底部5、15、25、35、45 cm 處分別設(shè)置取樣口。系統(tǒng)陽極為三根石墨棒（長15 cm，直徑2 cm），分別置于距填料底部15、25、35 cm 處，陰極為石墨板（10 cm×10 cm×0.8 cm），置于填料表面。陽極與陰極之間以鈦絲（Φ1 mm）相連并接有外接電阻，形成閉合回路，外接電阻值設(shè)為1 000 Ω。濕地植物選用美人蕉。用黑色塑料薄膜包裹裝置池體以防止池內(nèi)藻類生長。

圖1 CW-MFC系統(tǒng)實驗裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of CW-MFC system experimental device

CW-MFC 裝置啟動期間，將進水（不含SDBS）自底部連續(xù)泵入CW-MFC1和CW-MFC2裝置內(nèi)，運行35 d 后，系統(tǒng)的輸出電壓達到最大并基本穩(wěn)定，穩(wěn)定輸出電壓值約為0.19～0.20 V，標志著系統(tǒng)啟動成功。然后，將裝置CW-MFC2的進水中加入SDBS并繼續(xù)運行，7～8 d 后，CW-MFC2系統(tǒng)的輸出電壓再次穩(wěn)定，此后可定期進行取樣分析。裝置CW-MFC1的進水中無SDBS，以此作為對照。2套裝置內(nèi)污水的水力停留時間均為1.5 d。

1.2 實驗進水

實驗進水為合成生活污水，采用蛋白胨、葡萄糖、尿素、NH4Cl、KH2PO4、Na5P3O10和C18H29NaO3S 配制，除蛋白胨外其他化學(xué)品均為分析純。

合成生活污水水質(zhì)為：pH 7.0±0.2、化學(xué)需氧量（COD）188.8～203.5 mg·L-1、總氮（TN）40.6 mg·L-1、氨氮（NH3和）26.17 mg·L-1、有機氮（OrgN）9.33 mg·L-1、總磷（TP）8 mg·L-1、正磷鹽酸（-P）4.54 mg·L-1、聚磷鹽酸（P3O5- 10-P）3.46 mg·L-1、SDBS 25 mg·L-1。

1.3 監(jiān)測分析方法

1.3.1 水質(zhì)測定

每3 d 采集1 次水樣并進行SDBS 檢測，檢測方法為亞甲藍分光光度法，所用儀器為多參數(shù)水質(zhì)測定儀MI-200H（天津眾科創(chuàng)譜科技有限公司）。每份水樣均讀數(shù)3次，取其平均值。

1.3.2 輸出電壓測定

使用多通道數(shù)據(jù)記錄儀（新威測試儀CT-4008-5v10mA-164）實時監(jiān)測輸出電壓（U），數(shù)據(jù)采集頻率為1 800 s。

1.3.3 微生物測定與分析

裝置運行3 個月后，停止進水，對CW-MFC 系統(tǒng)火山巖填料表面、植物根系、陽極與陰極表面進行微生物采樣，將CW-MFC1系統(tǒng)植物根系表面、火山巖填料表面、陽極表面、陰極表面樣本分別命名為P.1、T.1、A.1、C.1；將CW-MFC2系統(tǒng)植物根系表面、火山巖填料表面、陽極表面、陰極表面樣本分別命名為P.2、T.2、A.2、C.2。

（1）16SrRNA 高通量測序：采用CTAB 或SDS 方法對樣本的基因組DNA 進行提取，選取引物341F（5′ -CCTAYGGGRBGCASCAG-3′）和806R（5′ -GGACTACNNGGGTATCTAAT-3′ ）對細菌的16S rRNA 的V3～V4 區(qū)域基因序列進行PCR 擴增。使用2%濃度的瓊脂糖凝膠對PCR 擴增產(chǎn)物進行電泳檢測，使用Thermo Scientific 公司GeneJET 膠回收試劑盒對PCR 擴增產(chǎn)物回收，最后使用Illumina 公司TruSeq DNA PCR-Free Sample Preparation Kit 建庫試劑盒進行文庫的構(gòu)建，構(gòu)建好的文庫經(jīng)過Qubit 定量和文庫檢測，合格后，使用NovaSeq6000上機器測序。

（2）高通量測序數(shù)據(jù)分析與物種統(tǒng)計分析：對Illumina NovaSeq 測序得到的下機數(shù)據(jù)進行拼接和質(zhì)控，再進行嵌合體過濾，得到可用于后續(xù)分析的有效數(shù)據(jù)。為研究各樣本的物種組成，基于有效數(shù)據(jù)，以97%的一致性進行OTUs（operational taxonomic units）聚類，然后對OTUs的序列進行物種注釋。根據(jù)OTUs聚類結(jié)果，一方面對每個OTU 的代表序列做物種注釋，得到對應(yīng)的物種信息和基于物種的豐度分布情況。同時，對OTUs 進行Alpha 多樣性計算、Venn 圖、物種豐度等分析，以得到樣本內(nèi)物種豐富度和均勻度信息、不同樣本或分組間的共有和特有OTUs信息等。另一方面，可以對OTUs 進行多序列比對并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)生樹，通過PCoA等降維分析和樣本聚類樹展示，可以探究不同樣本或組別間群落結(jié)構(gòu)的差異。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1.4.1 污染物去除率分析

SDBS 去除率和去除負荷計算公式分別如（1）、（2）所示：

式中：RC表示SDBS 去除率，%；RL表示SDBS 去除負荷，g·m-3·d-1；Ci表示平均進水SDBS 濃度，mg·L-1；Ce表示平均出水SDBS 濃度，mg·L-1；Q表示進水流量，m3·d-1；V表示濕地體積，m3。

1.4.2 電化學(xué)性能分析

系統(tǒng)的輸出電流和功率按照歐姆定律由輸出電壓數(shù)據(jù)進行計算，電流密度和功率密度均以陽極表面積進行計算，如公式（3）、（4）、（5）、（6）所示。

式中：I表示CW-MFC 系統(tǒng)電流，mA；U表示CW-MFC系統(tǒng)的輸出電壓，mV；Rex表示CW-MFC系統(tǒng)的外接電阻值，Ω；P表示CW-MFC 系統(tǒng)輸出功率，mW；S表示陽極電極表面積，m2；Id表示CW-MFC 面積電流密度，mA·m-2；Pd表示CW-MFC面積功率密度，mW·m-2。

CW-MFC 系統(tǒng)的內(nèi)阻通過功率密度曲線得到，具體操作為：由大到小依次調(diào)節(jié)外接電阻值（100～9 000 Ω），并且在每個阻值下系統(tǒng)穩(wěn)定30 min 后記錄對應(yīng)的輸出電壓，以電流密度值為橫坐標、功率密度值為縱坐標，繪制功率密度曲線，功率密度曲線峰值所對應(yīng)的電阻值即為CW-MFC 系統(tǒng)內(nèi)阻。此外，根據(jù)Pmax=E2/4Rin也可估算系統(tǒng)內(nèi)阻，其中E為系統(tǒng)開路電壓。

本實驗中所有數(shù)據(jù)均使用Excel 2021 進行整理、使用Origin2021 制圖，使用SPSS Statistics 25 進行單因素方差分析以檢測SDBS 對CW-MFC 系統(tǒng)COD 去除和產(chǎn)電性能影響的顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與討論

2.1 CW-MFC系統(tǒng)SDBS去除性能和產(chǎn)電性能

CW-MFC2系統(tǒng)對SDBS 的去除效果如圖2（a）所示，在進水中加入SDBS后，CW-MFC2系統(tǒng)對SDBS的初始去除率約為35%，經(jīng)過緩慢增長SDBS 去除率于60 d 后趨于穩(wěn)定，達到40%～48%，平均去除率和去除負荷分別為44.3%和6.74 g·m-3·d-1。CW-MFC2系統(tǒng)中SDBS 的去除過程可能是：初期，CW-MFC 系統(tǒng)主要通過填料、電極和植物根系等固體介質(zhì)的吸附作用去除SDBS，隨著運行時間的增加，吸附逐漸達到飽和，同時，系統(tǒng)內(nèi)部SDBS降解相關(guān)微生物不斷富集生長，形成穩(wěn)定群落，導(dǎo)致系統(tǒng)中SDBS出水濃度不斷下降并最終趨于穩(wěn)定。CW-MFC 系統(tǒng)的COD 去除率變化如圖2（b）所示，CW-MFC2系統(tǒng)的COD 去除率（31.9%～72.3%）顯著低于CW-MFC1系統(tǒng)（63.1%～89.3%），且CW-MFC2系統(tǒng)的COD 去除率波動較大，需要較長時間才能夠趨于穩(wěn)定。由此推測，SDBS 的加入對CW-MFC 系統(tǒng)中微生物群落的組成與活性產(chǎn)生了較大的干擾，微生物需要一定的時間適應(yīng)并發(fā)展SDBS降解能力。

圖2 CW-MFC2系統(tǒng)的SDBS出水濃度及去除率（a）和CW-MFC系統(tǒng)的COD去除率（b）Figure 2 Effluent concentration and removal rate of SDBS in CWMFC2 system（a）and COD removal rate of CW-MFC system（b）

CW-MFC 系統(tǒng)的輸出電壓如圖3（a）所示。在裝置啟動階段（0～35 d），CW-MFC1和CW-MFC2系統(tǒng)的輸出電壓均不斷上升，35 d 后，CW-MFC1的輸出電壓穩(wěn)定在約0.19～0.20 V，這標志著系統(tǒng)啟動成功，即產(chǎn)電微生物成功地附著在陽極表面并形成生物膜，而CW-MFC2的輸出電壓先下降后上升最終趨于穩(wěn)定，這是因為，35 d時CW-MFC2系統(tǒng)的進水中加入了SDBS，產(chǎn)電微生物種群需要時間去適應(yīng)和緩沖SDBS 所造成的干擾和抑制，此過程持續(xù)了7～8 d，CW-MFC2系統(tǒng)的輸出電壓再次穩(wěn)定，平均最大輸出電壓約為0.18 V，較CW-MFC1系統(tǒng)（0.19 V）低5.0%。由于CW-MFC2系統(tǒng)需要較長時間（60 d 及以上）才能夠?qū)崿F(xiàn)對SDBS和COD 的穩(wěn)定去除，而其輸出電壓只需7～8 d即可恢復(fù)穩(wěn)定，推測產(chǎn)電微生物對SDBS的抗性比其他微生物物種更強。EAB 的胞外電子傳遞機制主要包括（1）直接接觸機制，即直接利用細胞外膜上的多血紅素細胞色素c 或細胞表面附屬物“納米導(dǎo)線”將電子傳遞至受體；（2）電子穿梭體介導(dǎo)，即利用微生物自身分泌的氧化還原物質(zhì)（內(nèi)生介體）或者某些外源化學(xué)物質(zhì)（外生介體）介導(dǎo)電子的傳遞；（3）應(yīng)電運動，即利用細胞鞭毛運動快速撞擊胞外受體表面而介導(dǎo)電子傳遞[13]。這些復(fù)雜的電子傳遞途徑使得EAB對復(fù)雜大分子有機物具有較高的生物還原效率[10]，因此，與其他微生物種群相比，EAB 表現(xiàn)出了對SDBS更強的抗性。

CW-MFC1和CW-MFC2系統(tǒng)功率密度曲線、極化曲線的變化趨勢相似（圖3b、圖3c），其中，在低電流密度區(qū)域（Id約＜5.0 mA·m-2）和中電流密度區(qū)域（Id約為5.0～15.0 mA·m-2），CW-MFC2系統(tǒng)電壓隨電流增加的下降趨勢更緩慢，而在高電流密度區(qū)域（Id約＞15.0 mA·m-2），CW-MFC2系統(tǒng)電壓隨電流增加的下降趨勢更快速，說明SDBS 的存在減小了CW-MFC 系統(tǒng)產(chǎn)電過程中的傳質(zhì)損失和歐姆損失，但是增加了活化損失。CW-MFC1、CW-MFC2系統(tǒng)功率密度分別在電流密度約為8.6、15.1 mA·m-2時達到最大值（分別約為3.36、3.41 mW·m-2），根據(jù)功率密度峰值法，CWMFC1、CW-MFC2的內(nèi)阻應(yīng)分別在500～600 Ω、300～400 Ω 之間，而根據(jù)極化曲線斜率法，由此區(qū)域內(nèi)電壓與電流的線性關(guān)系計算得出CW-MFC1和CWMFC2的內(nèi)阻分別為528.6 Ω 和370.5 Ω，CW-MFC2的內(nèi)阻較CW-MFC1顯著低29.9%。由此可見，SDBS 在一定程度上改善了CW-MFC 系統(tǒng)的電化學(xué)性能，尤其是極大降低了其內(nèi)阻。這與前人的研究結(jié)果一致，表面活性劑可以改變細胞膜的超微結(jié)構(gòu)以形成跨膜通道，提高微生物細胞膜的滲透性，降低有機底物和電子的跨膜轉(zhuǎn)移阻力，從而提高微生物細胞的電子轉(zhuǎn)移能力，進而改善MFC的產(chǎn)電性能[11-12，14]。

2.2 CW-MFC系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 微生物群落多樣性分析

CW-MFC 系統(tǒng)的微生物群落多樣性指數(shù)如表1所示，其中，Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)表征微生物群落的多樣性，Observed species指數(shù)表征微生物群落的豐富度?？梢钥闯?，CW-MFC1系統(tǒng)中各部位的微生物群落多樣性和豐富度排序為陰極表面＞植物根系表面＞陽極表面＞火山巖填料表面，而CW-MFC2系統(tǒng)中微生物多樣性排序為陽極表面＞植物根系表面＞火山巖填料表面≈陰極表面，微生物豐富度排序為陽極表面＞火山巖填料表面＞植物根系表面＞陰極表面。由此可見，SDBS 可影響CW-MFC 系統(tǒng)內(nèi)部微生物群落多樣性的空間分布特征。與CW-MFC1系統(tǒng)相比，CW-MFC2系統(tǒng)火山巖填料和陽極表面的Shannon 指數(shù)分別提高了39.62%和25%，Simpson 指數(shù)分別提高了9.84%和11.49%，Observed species指數(shù)分別提高了40.73%和12.43%，而植物根系和MFC 陰極表面的Shannon 指數(shù)卻分別降低了23.86%和44.88%，Simpson 指數(shù)分別降低了12.37%和23.47%，Observed species 指數(shù)分別降低了18.68%和43.64%。這說明SDBS可促進火山巖填料和MFC陽極表面的微生物群落多樣性和豐富度，但是卻會抑制植物根系和MFC 陰極表面的微生物群落多樣性。推測這可能與好氧/厭氧環(huán)境有關(guān)，CW-MFC 系統(tǒng)底部（火山巖填料層和MFC 陽極）以厭氧/缺氧環(huán)境為主，而植物根系由于泌氧作用其表面為好氧環(huán)境，MFC 陰極區(qū)域由于濕地填料表層大氣復(fù)氧作用亦為好氧環(huán)境。這說明SDBS對厭氧微生物群落多樣性具有促進作用，但是對好氧微生物群落多樣性具有抑制作用。

表1 CW-MFC系統(tǒng)微生物群落多樣性指數(shù)Table 1 Microbial community diversity index of CW-MFC system

通過繪制OTU 分布Venn 圖，對CW-MFC 系統(tǒng)中各部位微生物群落組成的相似性和特異性進行分析，結(jié)果如圖4 所示。CW-MFC1共注釋到OTUs 7 477個，其中共有OTUs 502 個，占比6.71%，CW-MFC2共注釋到OTUs 6 598 個，其中共有OTUs 387 個，占比5.87%。分部位來看，就植物根系表面OTUs 數(shù)目而言，CW-MFC2較CW-MFC1低18.19%；就火山巖填料表面OTUs 數(shù)目而言，CW-MFC2較CW-MFC1高26.57%；就陽極表面OTUs 數(shù)目而言，CW-MFC2較CW-MFC1高11.06%；就陰極表面OTUs 數(shù)目而言，CW-MFC2較CW-MFC1低44.86%。這進一步證實SDBS 對CW-MFC 系統(tǒng)各部位的微生物群落組成均有不同程度的影響，其中對陰極表面微生物群落組成影響最大，并對微生物群落的生長表現(xiàn)出抑制作用；其次是火山巖填料表面，并對微生物群落的生長表現(xiàn)出促進作用。

圖4 CW-MFC1（a）和CW-MFC2（b）系統(tǒng)各部位微生物OTUs分布Venn圖Figure 4 Venn diagram of microbial OTUs distribution in various parts of the CW-MFC1（a）and CW-MFC2（b）systems

基于Unweighted unifra距離算法進行主坐標分析（PCoA），以探究CW-MFC 系統(tǒng)不同部位微生物群落組成的差異性和相似性，結(jié)果如圖5（a）所示。主成分1 和2 分別解釋了28.02%和7.76%的總?cè)郝渥兓?。植物根系表面（P.1、P.2）、火山巖填料表面（T.1、T.2）、陽極表面（A.1、A.2）和陰極表面（C.1、C.2）的微生物樣本之間相距較遠，表明CW-MFC系統(tǒng)中不同部位的微生物群落組成差異顯著，同時，P.1 與P.2、T.1 與T.2、A.1 與A.2、C.1 與C.2 之間存在明顯分離，這進一步證明SDBS濃度顯著影響了CW-MFC系統(tǒng)的微生物群落組成，尤其是MFC陰極表面的微生物群落組成。

基于Unweighted unifrac 距離對OTUs數(shù)據(jù)進行聚類分析，結(jié)果如圖5（b）所示，樣本T.1、T.2、P.1、P.2 聚為一支，A.1、A.2、C.1、C.2 聚為一支，這說明火山巖填料和植物根系表面微生物群落進化關(guān)系距離較近，MFC 陽極和陰極表面的微生物群落進化關(guān)系距離較近。此外，與CW-MFC1相比，CW-MFC2系統(tǒng)各部位Bacteroidota（擬桿菌門）的相對豐度明顯增加，尤其是在MFC 陰極表面，可見SDBS 作為碳源能夠促進Bacteroidota 富集生長。Bacteroidota 是濕地中最常檢測到的微生物菌門，在氮循環(huán)以及有機物降解中起到重要作用[15]，同時，Bacteroidota 中的許多微生物是電化學(xué)活性細菌，可以直接或間接地參與電子轉(zhuǎn)移[16]，這也部分解釋了SDBS 對CW-MFC 系統(tǒng)電化學(xué)性能的促進作用（圖3）。

2.2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)差異性分析

CW-MFC 系統(tǒng)門水平微生物群落結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，可以看出CW-MFC 系統(tǒng)優(yōu)勢菌門為Proteobacteria（變形菌門）、Bacteroidota、Desulfobacteroidota（脫硫弧菌門），其相對豐度總和占全部的78.42%～94.23%。其中Proteobacteria 豐度最高，在各樣本中占比39.54%～91.24%。Proteobacteria 在濕地系統(tǒng)中對有機物降解和脫氮除磷起著重要作用，Bacteroidota被認為是CW-MFC 系統(tǒng)中常見的優(yōu)勢菌[17]，在厭氧環(huán)境條件下可有效降解污染物[18]。Desulfobacteroidota 能以硫酸鹽（）、亞硫酸鹽（）、硫代硫酸鹽（）硫化合物作為電子受體，對LAS的中間降解產(chǎn)物乙醇、富馬酸鹽等進行不完全發(fā)酵，將其進一步分解成二氧化碳和水[19]。此外，還發(fā)現(xiàn)了Chloroflexi（綠彎菌門）、Acidobacteriota（酸桿菌門）、Actinobacteria（放線菌門）等重要的有機物降解微生物。Wu等[20]使用厭氧氨氧化工藝處理垃圾滲濾液，發(fā)現(xiàn)Chloroflexi可以使垃圾滲濾液中的難降解有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為易降解有機質(zhì)，從而促進厭氧氨氧化工藝的深度脫氮。Lu等[21]和Militon 等[22]提出Actinobacteria 在石油烴類和脂肪烴類污染物的生物降解中具有關(guān)鍵作用。Han等[23]發(fā)現(xiàn)，Acidobacteriota 作為優(yōu)勢菌門，可以有效參與喹諾酮類抗生素氧氟沙星和環(huán)丙沙星的降解。

受SDBS 的影響，Proteobacteria、Bacteroidota、Desulfobacteroidota 各菌門在系統(tǒng)內(nèi)各部位相對豐度發(fā)生了變化，具體為：Proteobacteria 的相對豐度在植物根系表面幾乎不變，在MFC 陽極表面增加了24.39%，而在火山巖填料表面和MFC 陰極表面分別減少了11.50%和26.36%；Bacteroidota 的相對豐度在植物根系、火山巖填料和MFC 陰極表面分別減少了2.44%、2.11%和44.31%，而在MFC 陽極表面幾乎不變；Desulfobacteroidota 的相對豐度在MFC 陰極表面減少了30.01%，而在植物根系、火山巖填料和MFC 陽極表面幾乎不變。

分析微生物群落在CW-MFC 系統(tǒng)中的空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在火山巖填料表面變形菌門Proteobacteria的相對豐度最大，均高達80%以上；在MFC 陰極表面擬桿菌門Bacteroidota 的相對豐度最大，占比約為7.66～51.97%；在MFC 陽極表面脫硫桿菌門Desulfobacteroidota 的相對豐度最大，占比約為10.77%～40.78%。因此推測Proteobacteria、Bacteroidota 和Desulfobacteroidota 分別在火山巖填料、MFC陰極和MFC陽極部位的SDBS降解中發(fā)揮著重要作用。

EAB 是MFC 中驅(qū)動污染物降解轉(zhuǎn)化的主要生物催化劑[24]，EAB 能夠進行細胞外電子轉(zhuǎn)移，具有給予或接受電子的能力[25]，可以催化氧化底物產(chǎn)生電子，將其代謝的電子傳輸至陽極，從而實現(xiàn)有機物的降解和電能的轉(zhuǎn)化。EAB 主要包括四大類，Proteobacteria、Bacteroidota、Firmicutes（厚壁菌門）、Acidobacteriota。陽極是CW-MFC 系統(tǒng)中微生物產(chǎn)電的主要場所，CW-MFC1和CW-MFC2系統(tǒng)中陽極EAB 均為Proteobacteria 相對豐度最大，占總EAB 豐度分別高達83.3%和85.9%，可見Proteobacteria 對CW-MFC 產(chǎn)電的貢獻較大。與CW-MFC1系統(tǒng)相比，CW-MFC2系統(tǒng)陽極區(qū)總EAB 的豐度顯著提高56.7%，由于SDBS 在一定程度上改善了CW-MFC 系統(tǒng)的電化學(xué)性能，由此推測，SDBS 可以通過促進EAB 的生長而提高CWMFC系統(tǒng)的電化學(xué)性能。

為了進一步探索SDBS 對微生物群落變化的影響，對屬水平的微生物群落結(jié)構(gòu)進行了分析研究。如圖6（b）所示，總體來看，CW-MFC 系統(tǒng)內(nèi)各部位微生物群落組成差異較大，其中優(yōu)勢菌屬是Aeromonas、Cloacibacterium、Geobacter（地桿菌屬），相對豐度分別為3.18%～77.66%、0.19%～49.31%、0.06%～38.70%。CW-MFC1和CW-MFC2中各部位微生物群落結(jié)構(gòu)組成有較大差異，SDBS 的存在對部分微生物具有選擇性促進作用，而對部分微生物具有抑制作用，具體為：加入SDBS 后，MFC 陽極表面中Geobacter、Acinetobacter（不動桿菌屬）相對豐度降低，Zoogloea（菌膠團）、Dechloromonas（脫氯單胞菌）、Hydrogenophaga（氫噬胞菌屬）相對豐度增大；MFC陰極表面中Methylophilaceae（嗜甲基菌）相對豐度降低，Cloacibacterium（泄殖腔桿菌）、Rhodobacter（紅桿菌屬）、Gemmobacter（芽殖桿菌屬）相對豐度增大；植物根系表面Xylophilus（嗜木桿菌屬）相對豐度降低、Azospira（固氮螺菌屬）相對豐度升高；填料表面Aeromonas（氣單胞菌屬）相對豐度降低，Novispirillum（諾維螺旋菌屬）相對豐度升高。Okada 等[26]報道稱Zoogloea、Dechloromonas、Hydrogenophaga是LAS 的降解相關(guān)菌。Hassan 等[27]發(fā)現(xiàn)在MFC 中，Cloacibacterium可促進苯酚降解。Freire 等[28]同樣發(fā)現(xiàn)，紅環(huán)科（Rhodobacter、Gemmobacter等）相對豐度隨LAS濃度的升高而增大。Zheng等[29]證明Azospira屬在生物膜反應(yīng)器中具有良好的異養(yǎng)反硝化作用。Novispirillum隸屬于α-變形菌，常在廢水中被檢測到，具有降解偶氮染料的能力[30]。

迄今為止，已有研究在厭氧流化床、膨脹顆粒污泥床等反應(yīng)器中驗證了多種LAS 降解菌，包括Bacteroides（擬桿菌屬）、Cytophaga（噬纖維菌屬）、Syntrophus（互養(yǎng)菌屬）、Clostridium（梭狀芽孢桿菌屬）等，具體信息見表2。在本研究中，CW-MFC 系統(tǒng)中檢測到的SDBS 降解相關(guān)菌屬有7 個，其中1 個屬（Geobacter）被認為可以進行β/ω氧化過程，3個屬[Aeromonas、Acinetobacter、Desulfovibrio（脫硫弧菌屬）]可以進行脫磺酸過程，3 個屬（Hydrogenophaga、Zoogloea、Dechloromonas）可以進行苯環(huán)裂解。除了Geobacter和Desulfovibrio屬于厭氧菌屬，其余均為好氧菌屬。由此推測，SDBS 在CW-MFC 系統(tǒng)中的微生物降解以好氧降解為主，但也存在厭氧降解過程。對CW-MFC2系統(tǒng)中SDBS 降解相關(guān)菌屬相對豐度的空間分布進行分析，結(jié)果如表3 所示。發(fā)現(xiàn)火山巖填料表面SDBS 降解菌屬的相對豐度最大，分別是植物根系表面、MFC陽極表面和MFC 陰極表面的1.25、2.33 倍和3.46 倍?；鹕綆r填料具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和發(fā)達的比表面積，對污染物具有較高的吸附能力，兩者均有利于SDBS降解相關(guān)微生物在火山巖填料表面富集生長。

表3 本研究中CW-MFC系統(tǒng)中SDBS降解相關(guān)菌屬相對豐度的空間分布（%）Table 3 Spatial distribution of relative abundance of SDBS degradation related bacteria in the CW-MFC system of this study（%）

3 結(jié)論

（1）十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）改變了人工濕地-微生物燃料電池（CW-MFC）系統(tǒng)內(nèi)部微生物群落的空間分布規(guī)律，促進了火山巖填料和陽極表面等厭氧環(huán)境下的微生物群落豐富度和多樣性，而對植物根系和陰極表面等好氧環(huán)境下的微生物群落多樣性產(chǎn)生了抑制。

（2）CW-MFC 系統(tǒng)中電化學(xué)活性菌（EAB）對SDBS 的抗性比其他微生物物種更強，SDBS 可以通過促進EAB的生長而提高CW-MFC系統(tǒng)的電化學(xué)性能。

（3）CW-MFC 系統(tǒng)中有7個SDBS降解相關(guān)菌屬：Geobacter可參與β/ω 氧化過程，Aeromonas、Acinetobacter、Desulfovibrio可參與脫磺酸過程，Hydrogenophaga、Zoogloea、Dechloromonas可參與苯環(huán)裂解過程。其中，Geobacter、Desulfovibrio為厭氧菌屬，其余為好氧菌屬。

（4）CW-MFC 系統(tǒng)在處理SDBS 過程中其火山巖填料表面、陰極表面和陽極表面的優(yōu)勢菌門分別為Proteobacteria、Bacteroidota 和Desulfobacteroidota，其中，火山巖填料表面SDBS 降解相關(guān)菌屬相對豐度最高。