穿梭体促进微生物燃料电池电活性生物膜形成的胞外电子传递机制

• 作 者: 秦宝丽
• 机 构: 太原理工大学
• 出 处: 太原理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 污水处理

活性污泥法是废水处理最受关注的技术。然而，经过活性污泥法的一系列处理之后，废水仍富含大量有机物，需要进一步处理。微生物燃料电池（MFC）可以降解废水中的有机污染物，是一种新型的处理废水的反应器。MFC是一种电活性微生物充当催化剂的系统，并将化学能从可生物降解的物质直接转化为电能。但是，受到电子传递效率的影响，MFC产能的功率密度低、污染物降解效率低，极大地限制了它在实际废水处理过程中的应用。电活性微生物是MFC中影响电子传递速率的关键因素，因此，如何调控电活性微生物的生存行为，包括调控其生长速率、氧化还原活性、电活性生物膜的形成以及膜内微生物的群落组成等，是亟待解决的关键科学问题。调控电活性生物膜的生长，首先需要明确生物膜形成的胞外电子传递机制。本文考察了两种穿梭体刃天青和土壤溶出物的反应体系电流以及电活性生物膜的形成，并探讨了电子传递机制。主要结论如下：
　　（1）刃天青（RZ）是一种典型的吩恶嗪电子穿梭体，可以在胞外电子转移（EET）过程中以试卤灵（RR）的形式原位沉积在电极上，这种原位沉积可能导致可持续的电流的产生。然而，对原位沉积机理的物理化学约束条件仍然不清楚。在这项研究中，探索了电子穿梭体吩恶嗪的原位沉积临界参数。研究发现，极低浓度的RZ即可显著增加电活性生物膜的形成，而RZ的浓度和施加的电压是影响沉积的两个关键因素。同时揭示了沉积的临界浓度和临界外加电压。沉积随着RZ初始浓度和外部电位的增加而增加。研究发现-3mV为临界电势，并且在-3mV附近的电势变化最大，而当外部电压超过+241mV时，沉积保持稳定。临界浓度为20μM，因为这是在所有外加电压下RR沉积所需的最小RZ浓度。根据理论分析，原位沉积取决于体系中溶解沉淀和还原氧化的平衡状态。有助于理解自然电子穿梭过程和高效的电极修饰。
　　（2）当具有穿梭能力的土壤可溶性物质存在时，所富集的电活性生物膜上地杆菌丰度明显降低，而其他需要借助电子穿梭体进行厌氧呼吸的微生物（例如Sedimentibacter）丰度增加。由于不同类型的微生物对穿梭体的响应不一样，穿梭体能够作为一种调节剂，用来加速特定电活性微生物生物膜的形成，控制膜内不同微生物的比例；在土壤等复杂环境中，穿梭体可能会增强特定微生物的竞争能力，从而改变土壤中电活性生物膜的群落结构，影响微生物的生态功能。这也意味着，在自然环境中，穿梭体可能具有维持微生物群落结构的生态学意义。
　　本实验BES高功率生物膜的核心菌种为Geobacter、Sedimentibacter。研究发现，Sedimentibacter菌株具有降解污水中某些多环芳烃类物质的能力，生物难降解化合物的降解与微生物群落分布的对应分析有助于揭示废水生物处理的未知模型。因此构建生物难降解化合物的特殊菌群对于实际工程应用中污水处理具有十分重要的意义。