電刺激微生物調(diào)控人工濕地中CH4和N2O氣體排放研究*

肖東彩 薛鴻普 梁楊楊

(1.銀川能源學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院,寧夏 銀川 750150;2.重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院,重慶 400044;3.寧夏寶豐能源集團(tuán)股份有限公司,寧夏 銀川 753200)

針對(duì)溫室氣體(GHGs,包括CO2、CH4及N2O)排放導(dǎo)致的全球變暖問(wèn)題,我國(guó)提出“2030年前達(dá)到碳排放峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)愿景[1-2]?，F(xiàn)階段碳減排技術(shù)仍處于研發(fā)階段,想要大規(guī)模應(yīng)用仍存在許多制約。因此,亟需尋找一個(gè)節(jié)能減排、協(xié)同增效的GHGs調(diào)控技術(shù)。

人工濕地(CW)耦合微生物燃料電池(MFC)是一種新型的低碳型污水處理技術(shù),YADAV等[3]首次將MFC嵌入到CW,構(gòu)建的CW-MFC系統(tǒng)既可以強(qiáng)化CW處理污水的效率,也能回收產(chǎn)生的電能。LIU等[4]通過(guò)生物電化學(xué)方法來(lái)控制CH4的排放,發(fā)現(xiàn)電力生成和CH4排放是同時(shí)發(fā)生的,這進(jìn)一步說(shuō)明電化學(xué)細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌是和諧共存的。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)搭建新型升流式人工濕地(UCW)型MFC(UCW-MFC),選擇菖蒲為濕地植物并將其嵌入到MFC的陽(yáng)極構(gòu)建根際陽(yáng)極UCW-MFC系統(tǒng),研究微生物產(chǎn)電活動(dòng)對(duì)濕地CH4排放通量和N2O排放通量的影響規(guī)律及作用機(jī)制,為GHGs調(diào)控提供新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 UCW-MFC的搭建與啟動(dòng)

1.1.1 植物的選擇

植物(如美人蕉、燈心草、菖蒲、茭白、水蔥、蘆葦、水鬼蕉、再力花等)是CW系統(tǒng)的重要影響因素,本研究選取缺氧忍耐力強(qiáng)的根莖型濕地植物菖蒲種植于陽(yáng)極層來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)。對(duì)購(gòu)置的菖蒲根系進(jìn)行清洗,使用人工配水馴化約一周并挑選生命力旺盛的植物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.1.2 污泥的采集及馴化

生物陽(yáng)極接種某污水處理廠厭氧段污泥,馴化期間,陰/陽(yáng)極兩端接入自動(dòng)電壓收集裝置并間歇啟動(dòng)。

1.1.3 電極材料的選擇

考慮到生物的附著性能和快速收集電子的需求,選擇中間夾有不銹鋼絲網(wǎng)(SSM,絲徑2 mm,孔徑0.5 mm)的碳纖維氈(CAF)作為陽(yáng)極材料。

1.1.4 裝置的搭建與啟動(dòng)

反應(yīng)主體裝置采用高55 cm、直徑15 cm的有機(jī)玻璃制成,采用高28 cm、直徑14 cm的靜態(tài)箱收集GHGs。如圖1所示,裝置底部留有錐形進(jìn)水口,底部承托層高度為5 cm,中間層高度為10 cm,均填充礫石。生物陽(yáng)極和空氣陰極層厚度約為3～4 cm,陰/陽(yáng)極分別用鈦絲引出并連接一個(gè)1 000 Ω的外電阻形成通路。

圖1 UCW-MFC裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of UCW-MFC

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

菖蒲對(duì)GHGs排放的影響實(shí)驗(yàn)中,水箱中人工配水成分:磷酸緩沖溶液5 mmol/L,葡萄糖 0.2 g/L,NH4Cl 0.20 g/L,KCl 0.13 g/L,NaHCO33.13 g/L。種植5株菖蒲(平均高度為48.92 cm)的系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組(啟動(dòng)成功時(shí)的電壓約為0.66 V),未種植菖蒲的系統(tǒng)作為對(duì)照組(啟動(dòng)成功時(shí)的電壓約為0.38 V),實(shí)驗(yàn)組同時(shí)考慮了開路、閉路對(duì)系統(tǒng)影響。

基質(zhì)共代謝對(duì)GHGs排放的影響實(shí)驗(yàn)中,各系統(tǒng)均種植5株菖蒲(平均高度為48.92 cm),均為閉路,水箱中人工配水成分:磷酸緩沖溶液5 mmol/L,NH4Cl 0.20 g/L,KCl 0.13 g/L,NaHCO33.13 g/L;葡萄糖質(zhì)量濃度分別設(shè)為0、300、500 mg/L。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

1.3.1 GHGs的收集與檢測(cè)

每日8:00—10:00采用靜態(tài)箱收集氣體,箱體內(nèi)部設(shè)有采氣孔和風(fēng)扇,以便收集和混合氣體。采用配有氫火焰離子化檢測(cè)器(HFID)和熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)的氣相色譜儀(Agilent 6890B)來(lái)檢測(cè)CH4和N2O,其載氣為氮?dú)?色譜柱為Agilent HP-PLOT-Q柱(30 m×530 μm×40 μm)。

1.3.2 電壓及功率密度曲線的測(cè)定

采用萬(wàn)用表(FLUKE 17B+)檢測(cè)閉合電壓和開路電壓。極化曲線及功率密度曲線使用變阻箱分別檢測(cè)9 000、8 000、7 000、6 000、5 000、4 000、3 000、2 000、1 000、800、500、100、50 Ω時(shí)的電壓,并計(jì)算功率密度。

1.3.3 微生物高通量測(cè)序

實(shí)驗(yàn)選用V3～V4片段的細(xì)菌來(lái)擴(kuò)增16S rRNA基因,其引物分別為338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)。實(shí)驗(yàn)具體流程為陽(yáng)極污泥宏基因組提取、功能區(qū)域細(xì)菌擴(kuò)增、產(chǎn)物定量和混樣、文庫(kù)構(gòu)建和文庫(kù)質(zhì)檢與測(cè)序。樣品由上海某生物公司進(jìn)行測(cè)序。

2 結(jié)果與分析

2.1 菖蒲對(duì)GHGs排放的影響

如圖2(a)所示,有菖蒲和無(wú)菖蒲的系統(tǒng)在閉路條件下CH4排放通量分別為(0.35±0.01)、(0.17±0.01) mg/(m2·h),N2O排放通量分別為(122.85±3.68)、(91.18±2.78) μg/(m2·h),顯然菖蒲加入提高了GHGs的排放。這可能是因?yàn)檩牌炎陨泶嬖谕饨M織,根系周圍的氣體被莖部維管傳輸至大氣中;其次微生物易附著在菖蒲根系且在厭氧條件下利用極少量的腐殖質(zhì)(纖維素)作為自身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致呼吸速率加快,產(chǎn)出更多的CH4和N2O。如圖2(b)可知,菖蒲對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)電影響較大,有菖蒲和無(wú)菖蒲的系統(tǒng)最大功率密度分別為(1.62±0.05)、(0.76±0.06) W/m3,系統(tǒng)內(nèi)阻分別為154.27、237.55 Ω,可見電化學(xué)細(xì)菌可利用菖蒲增加系統(tǒng)產(chǎn)電并降低其內(nèi)阻以加速氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行。

圖2 有無(wú)菖蒲對(duì)系統(tǒng)氣體排放通量和產(chǎn)電的影響Fig.2 Effect of calamus or non-calamus on gas emission flux and electricity generation in the system

UCW-MFC在開路下相當(dāng)于CW,如圖2(a)所示,有菖蒲的系統(tǒng)CH4和N2O排放通量在開路條件下分別約為(0.47±0.02) mg/(m2·h)、(79.24±2.38) μg/(m2·h),相比閉路條件下,CH4排放通量增加約0.12 mg/(m2·h)。而陽(yáng)極產(chǎn)生的電子在開路條件下不能傳輸至陰極,遏制還原產(chǎn)生N2O,N2O排放通量降低約43.61 μg/(m2·h)。系統(tǒng)開路下,陽(yáng)極產(chǎn)甲烷菌的菌群豐富度多于產(chǎn)電菌,導(dǎo)致細(xì)菌呼吸作用產(chǎn)生更多CH4,這進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)電微生物和產(chǎn)甲烷微生物之間存在競(jìng)爭(zhēng)且可以共存,而N2O被抑制是中斷電子傳遞導(dǎo)致的。

2.2 基質(zhì)共代謝對(duì)GHGs排放的影響

共基質(zhì)(根系腐殖質(zhì)和外加葡萄糖)是影響系統(tǒng)產(chǎn)電和GHGs排放的重要因素。如圖3(a)所示,根系+0 mg/L葡萄糖、根系+300 mg/L葡萄糖和根系+500 mg/L葡萄糖的CH4排放通量分別為 (0.12±0.01)、(0.73±0.02)、(1.38±0.04) mg/(m2·h),N2O排放通量分別為0、(63.85±1.98)、(12.41±0.38) μg/(m2·h),可以看出,系統(tǒng)在高濃度基質(zhì)共代謝下易產(chǎn)生CH4,主要原因是充足的COD刺激產(chǎn)酸菌產(chǎn)生乙酸等小分子有機(jī)物,進(jìn)一步被產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化為CH4[5]。相反,N2O排放通量隨著共基質(zhì)濃度增大而降低,可能因?yàn)楣不|(zhì)濃度增加使得電化學(xué)細(xì)菌活性增加,刺激自身胞外電子的傳遞以加速反硝化反應(yīng)的進(jìn)行,進(jìn)而減少N2O的積累和排放。本研究GHGs排放趨勢(shì)與文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果相似。系統(tǒng)中電化學(xué)細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌存在競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài),產(chǎn)甲烷菌和電化學(xué)細(xì)菌均適合在較高COD的情況下生存和產(chǎn)電且CH4排放通量較高。

注:根系+300 mg/L是指種植菖蒲并外加300 mg/L葡萄糖,其余類推。根系+0 mg/L條件下N2O排放通量未檢測(cè)出。圖3 共基質(zhì)對(duì)系統(tǒng)氣體排放通量和產(chǎn)電的影響Fig.3 Effects of comatrix on gas emission flux and electricity generation in the system

電刺激作用下,大量的產(chǎn)甲烷菌繁殖使得呼吸產(chǎn)生的CH4排放通量增加。如圖3(b)所示,根系+300 mg/L葡萄糖和根系+500 mg/L葡萄糖的最大功率密度分別為(1.52±0.04)、(2.01±0.06) W/m3,內(nèi)阻分別為279.33、285.52 Ω,由此可知共基質(zhì)濃度與產(chǎn)電、CH4排放通量正相關(guān),并與N2O排放通量負(fù)相關(guān)。根系+0 mg/L葡萄糖時(shí),系統(tǒng)最大功率密度為(0.67±0.03) W/m3,內(nèi)阻為292.18 Ω,可能的原因是生物陽(yáng)極的電化學(xué)細(xì)菌(如脫硫葉菌屬(Desulfobulbus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)等)利用菖蒲根系腐爛物(有機(jī)酸、聚合碳水化合物以及死細(xì)胞物質(zhì)等)來(lái)供自身消耗并產(chǎn)電[7]。而表觀內(nèi)阻在根系+0 mg/L葡萄糖下比根系+300 mg/L葡萄糖和根系+500 mg/L葡萄糖都要大,可能原因是微生物不能充分得到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致傳遞質(zhì)子和產(chǎn)生電子的能力變?nèi)?。NI等[8]使用MFC處理豬場(chǎng)廢水,結(jié)果發(fā)現(xiàn)適宜COD濃度可有效增強(qiáng)系統(tǒng)產(chǎn)電,而高負(fù)荷COD抑制豬場(chǎng)廢水中污染物的降解,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)充足的底物在生物陽(yáng)極未降解完全,并游離到陰極消耗溶解氧使其形成一層好氧生物膜阻擋氧氣滲入到陰極。

2.3 微生物高通量測(cè)序結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析有無(wú)菖蒲及開閉路的系統(tǒng)微生物群落,對(duì)生物陽(yáng)極共基質(zhì)(根系+500 mg/L葡萄糖)進(jìn)行屬水平微生物豐富度分析。如圖4所示,屬水平的物種豐富度表明,有菖蒲的系統(tǒng)在開路條件下,微生物包括不動(dòng)桿菌屬(約78.77%)、變形菌屬(約0.31%)、厚壁菌屬(約0.56%)、假單胞菌屬(約0.42%)、硝化螺旋菌屬(約0.40%)、擬桿菌屬(約0.89%)、地桿菌屬(約0.09%)、甲烷絲狀菌屬(約3.29%)、類芽胞八疊球菌屬(約3.51%)及毛球菌屬(約0.25%)等。有菖蒲的系統(tǒng)在閉路條件下,微生物包括不動(dòng)桿菌屬(約1.85%)、變形菌屬(約1.43%)、厚壁菌屬(約2.77%)、假單胞菌屬(約18.77%)、硝化螺旋菌屬(約3.41%)、擬桿菌屬(約7.68%)、地桿菌屬(約0.91%)、甲烷絲狀菌屬(約7.28%)、類芽胞八疊球菌屬(約0.10%)及毛球菌屬(約2.62%)等。而無(wú)菖蒲的系統(tǒng)在閉路條件下,微生物包括不動(dòng)桿菌屬(約1.26%)、變形菌屬(約1.31%)、厚壁菌屬(約1.92%)、假單胞菌屬(約6.16%)、硝化螺旋菌屬(約2.34%)、擬桿菌屬(約7.79%)、地桿菌屬(約1.73%)、甲烷絲狀菌屬(約6.94%)、類芽胞八疊球菌屬(約3.91%)及毛球菌屬(約0.45%)等。其中電化學(xué)細(xì)菌有變形菌屬[9]、厚壁菌屬[10]、不動(dòng)桿菌屬[11]、擬桿菌屬[12]及地桿菌屬[13]等,產(chǎn)甲烷菌有甲烷絲狀菌屬[14],反硝化細(xì)菌有硝化螺旋菌屬[15]。實(shí)驗(yàn)條件改變會(huì)使微生物群落發(fā)生變化,最終使系統(tǒng)產(chǎn)電電壓及GHGs排放通量發(fā)生改變。

注:Acinetobacter為不動(dòng)桿菌屬,Methanothrix為甲烷絲狀菌屬,Bacteroidetes為擬桿菌屬,Paenisporosarcina為類芽胞八疊球菌屬,Nitrospira為硝化螺旋菌屬,Exiguobacterium為微小桿菌屬,Firmicutes為厚壁菌屬,Trichococcus為毛球菌屬,Mycobacterium為分枝桿菌屬,Planomicrobium為游動(dòng)球菌屬,Proteobacteria為變形菌屬,Smithella為史密斯氏菌屬,Geobacter為地桿菌屬,Hyphomicrobium為生絲微菌屬,Candidatus為假絲酵母菌屬。圖4 屬水平微生物豐富度Fig.4 Microbial abundance at genus level

不同系統(tǒng)共基質(zhì)(根系+500 mg/L葡萄糖)條件下的物種多樣性指標(biāo)見表1,閉路條件下的有菖蒲系統(tǒng),其Chao1、Shannon及Simpson指數(shù)都優(yōu)于開路條件下的有菖蒲系統(tǒng)和閉路條件下的無(wú)菖蒲系統(tǒng),說(shuō)明系統(tǒng)閉合及菖蒲存在更有助于電化學(xué)細(xì)菌產(chǎn)生電子,也豐富了陽(yáng)極的物種豐富度。

表1 多樣性指數(shù)Table 1 Diversity index

3 GHGs排放的機(jī)制分析

CH4排放分為發(fā)酵階段、產(chǎn)酸階段和產(chǎn)氣階段,在厭氧發(fā)酵中,產(chǎn)酸菌將大分子有機(jī)物降解為小分子有機(jī)物,并通過(guò)產(chǎn)甲烷菌和(反)硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為GHGs,當(dāng)然系統(tǒng)的陰極也會(huì)產(chǎn)生CH4,這是因?yàn)殛?yáng)極產(chǎn)生質(zhì)子(H+)傳輸至陰極發(fā)生還原反應(yīng)形成H2,陰極在好氧條件下產(chǎn)生CH4[16]。文獻(xiàn)[17]報(bào)道,沼澤濕地或者稻田地采用同位素示蹤法追蹤C(jī)H4足跡,結(jié)果發(fā)現(xiàn)共基質(zhì)陽(yáng)極發(fā)酵產(chǎn)生小分子有機(jī)物(CH3COOH、HCOOH、CH3OH)生成的CH4約占70%,而空氣陰極還原(CO2)產(chǎn)生的CH4僅占30%。

N2O的產(chǎn)生較為復(fù)雜,分為硝化階段和反硝化階段。硝化反應(yīng)是在好氧狀態(tài)下進(jìn)行的,首先在好氧狀態(tài)下發(fā)生氨氧化反應(yīng)繼而發(fā)生硝化反應(yīng)。MILOSLAV等[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)反硝化作用在厭氧條件下發(fā)生,而N2O主要是反硝化細(xì)菌在厭氧下產(chǎn)生的。ULRIKE等[19]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),反硝化細(xì)菌產(chǎn)生的N2O不是最終產(chǎn)物,這是因?yàn)闈竦乇砻娴母∷畬幼钃跹鯕膺M(jìn)入內(nèi)部進(jìn)一步會(huì)加速反硝化反應(yīng)的進(jìn)行并導(dǎo)致反硝化的最終產(chǎn)物是N2而不是N2O。

如圖5所示,電信號(hào)刺激下微生物豐富度增加,導(dǎo)致對(duì)有機(jī)質(zhì)的生物降解加快,并直接刺激電化學(xué)細(xì)菌在陽(yáng)極的積累,從而加速陽(yáng)極厭氧降解的過(guò)程,提高了系統(tǒng)氧化還原的能力。為深入探討根系+500 mg/L葡萄糖條件下C、N元素對(duì)菖蒲生長(zhǎng)的影響,測(cè)量菖蒲的高度及C含量。如表2所示,結(jié)果表明少量C、N養(yǎng)分被菖蒲吸收以供自身生長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)后菖蒲高度增加13.42 cm,菖蒲的通氣組織會(huì)儲(chǔ)存微量的營(yíng)養(yǎng)元素。

表2 系統(tǒng)運(yùn)行前后菖蒲的變化特征Table 2 Change characteristics of calamus before and after operation

注:共基質(zhì)是指根系+500 mg/L葡萄糖。圖5 共基質(zhì)生物陽(yáng)極表面微生物掃描電鏡圖Fig.5 Bio-anode scanning electron microscope images

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 有菖蒲的系統(tǒng)在閉路條件下CH4排放通量為(0.35±0.01) mg/(m2·h),最大功率密度為(1.62±0.05) W/m3;開路的系統(tǒng)不適合調(diào)節(jié)GHGs,CH4排放通量增加0.12 mg/(m2·h),N2O排放通量降低43.61 μg/(m2·h)。共基質(zhì)濃度增加會(huì)加大CH4排放通量,降低N2O排放通量。

(2) 甲烷絲狀菌屬和硝化螺旋菌屬是產(chǎn)生CH4和N2O的主要微生物且在系統(tǒng)中和電化學(xué)細(xì)菌之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

(3) MFC嵌入到CW為控制GHGs的排放提供了綠色思路。