The Denitrification Characteristics and Microbial Community in the Cathode of an MFC with Aerobic Denitrification at High Temperatures

高溫好氧反硝化MFC陰極的反硝化特性及微生物群落

來源：Front. Microbiol. 8:9

 

論文摘要

本論文研究了一種雙室微生物燃料電池（MFC）在陰極室實現同步硝化反硝化（SND）處理高濃度氨氮合成廢水的性能。研究重點考察了不同溶解氧（DO）濃度（低DO 0.5–1.0 mg/L，高DO 3.0–4.2 mg/L）和高溫條件（36–48°C）對MFC運行的影響。研究發現，陰極室內電極反硝化（由好氧反硝化細菌ADB驅動）和傳統異養反硝化共存：高DO下電極反硝化有助于提升電壓輸出，而低DO下傳統反硝化更利于總氮（TN）去除。通過聚合酶鏈反應-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）分析微生物群落，發現DO升高導致優勢菌群從嗜熱自養硝化菌和兼性異養反硝化菌（低DO）轉變為嗜熱好氧反硝化菌（高DO），門水平上從厚壁菌門（Firmicutes）變為變形菌門（Proteobacteria）。研究證實，電極提供的電子可支持ADB在低碳氮比（≤0.3）下生存，好氧反硝化在MFC陰極具有可行性。

 

研究目的

 

評估MFC陰極在高溫下的SND性能：探究DO濃度和溫度變化對MFC產電效率及氮去除效果的影響。

闡明反硝化機制：區分電極反硝化（ADB主導）與傳統異養反硝化的作用，明確各自在高低DO下的貢獻。

解析微生物群落動態：通過DGGE技術揭示DO變化引起的陰極生物膜群落結構演變，識別關鍵功能菌群。

 

驗證電子傳遞作用：探討電極作為電子供體對ADB的支撐能力，尤其在低C/N條件下的適應性。

 

研究思路

本研究采用“分階段實驗-多參數監測-微生物分析”的系統思路：

 

MFC構建與操作：使用雙室反應器（陽極和陰極體積各0.452 L），以碳刷為電極，Nafion 117膜分隔。陰極室通過曝氣控制DO，溫度從31°C逐步升至36–48°C。進水為合成廢水（COD 300 mg/L，NH??-N 480 mg/L），水力停留時間10.4小時。

分階段實驗設計：分為4個階段——階段1（低DO、中溫）、階段2（低DO、高溫）、階段3（高DO、高溫）、階段4（高DO、高溫且外阻從100Ω降至50Ω），每階段調整DO和溫度，監測電壓、氮素濃度、DO和N?O。

數據采集與技術應用：

 

電化學參數：實時記錄電壓、陽極電位，計算TN去除率和產電效率。

化學指標：測量DO、NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN濃度；使用丹麥Unisense N?O微傳感器監測N?O釋放（關鍵于反硝化副產物分析）。

 

微生物分析：在階段2（第27天）和階段4（第83天）采集陰極生物膜，通過PCR-DGGE和序列比對鑒定群落組成。

 

機制關聯分析：結合電化學數據和微生物結果，論證DO和溫度對反硝化路徑（電極 vs. 傳統）的調控作用。

 

測量數據及其研究意義

研究測量了多類數據，其意義和來源如下（數據均引用自文檔中的圖表）：

 

電壓和陽極電位動態（反映MFC產電性能）

 

測量指標：不同階段下MFC的輸出電壓和陽極電位變化。

研究意義：這些數據直接表征MFC的產電穩定性與效率。例如，階段3（高DO）電壓升至100 mV，表明電極反硝化提升輸出；階段4（外阻50Ω）電壓進一步增加，證明低外阻促進電子傳遞，強化電極反硝化。

 

數據來源：圖2（caption: "Performance of the MFC during continuous operation"）和圖3（電壓曲線）。

 

DO和N?O濃度剖面（揭示反硝化過程與氧限制）

 

測量指標：使用傳感器實時監測陰極室DO和N?O濃度，尤其依賴丹麥Unisense N?O微傳感器的高精度測量。

研究意義：圖3顯示，高DO下N?O釋放量增加（0.3–0.4 mg/L），結合DO下降，證實好氧反硝化產生N?O副產物；而低DO下N?O較低，表明傳統反硝化占主導。這些數據明確了DO水平對反硝化路徑選擇及溫室氣體排放的影響。

 

數據來源：圖3（caption: "Profiles of temperature, DO, N?O, voltage, and anode potential of the MFC"）。

 

氮素濃度變化（量化TN去除效率）

 

測量指標：NH??-N、NO??-N、NO??-N和TN的濃度隨時間變化。

研究意義：圖2顯示，階段2（高溫低DO）TN去除率最高，但主要依賴傳統反硝化；階段3（高DO）TN去除下降，但電極反硝化貢獻增加。說明高DO抑制異養反硝化，但促進ADB利用電極電子。

 

數據來源：圖2（氮素濃度曲線）。

 

微生物群落DGGE分析（關鍵菌群演變）

 

測量指標：通過PCR-DGGE獲取陰極生物膜菌群條帶，經序列比對鑒定物種。

研究意義：圖6和表1-2顯示，低DO下優勢菌為厚壁菌門（如Ureibacillus），擅長高溫硝化；高DO下變為變形菌門（如Aquamicrobium、Comamonas），為好氧反硝化菌。這從微生物角度解釋了DO調控反硝化機制的優勢菌更替。

 

 

 

數據來源：圖6（caption: "Representative DGGE strips of samples"）和表1-2（物種鑒定結果）。

 

反硝化速率計算（量化電子傳遞效率）

 

測量指標：基于庫侖定律計算電極反硝化速率（如階段4為13.5–14.6 mg N/(L·d)）。

研究意義：結合外阻變化（50Ω vs. 100Ω），證明低外阻提升反硝化速率，驗證電極作為電子供體的有效性，尤其在高DO下支持ADB活性。

 

數據來源：正文中速率計算部分（對應圖2和4數據）。

 

研究結論

 

DO是調控反硝化路徑的關鍵因子：高DO（3.0–4.2 mg/L）促進電極反硝化（ADB主導），提升電壓輸出但降低TN去除率；低DO（0.5–1.0 mg/L）則強化傳統異養反硝化，優化TN去除。

高溫增強微生物適應性：36–48°C下，菌群從嗜熱硝化菌（如Ureibacillus）演變為好氧反硝化菌（如Comamonas），證實ADB在高溫下的活性。

電極電子支撐ADB生存：在低C/N（≤0.3）條件下，電極提供電子使ADB得以存活，凸顯MFC在低碳廢水處理中的潛力。

外阻影響反硝化效率：50Ω外阻比100Ω更利于電子傳遞，提高電極反硝化速率和N?O轉化率（10%轉化為N?O）。

 

SND在MFC陰極可行：好氧反硝化與硝化可在陰極室同步進行，但需平衡DO以優化脫氮與產電。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense N?O微傳感器的測量數據對于揭示好氧反硝化過程的完整性與環境效應具有決定性意義，其研究價值體現在：

 

提供高精度N?O原位監測證據：Unisense微傳感器能以高靈敏度實時測量陰極室N?O濃度，避免了傳統離線采樣的時間延遲和干擾。圖3的數據顯示，高DO下N?O釋放量（0.3–0.4 mg/L）顯著高于低DO條件，首次在MFC陰極中直接量化了好氧反硝化的N?O副產率，證實ADB途徑可能增加溫室氣體排放風險。

關聯N?O釋放與反硝化機制：N?O數據與DO變化同步分析（圖3），表明高DO下N?O積累與電極反硝化相關（外阻50Ω時N?O占比10%），而低DO下N?O較低暗示傳統反硝化更徹底。這明確了DO通過調控反硝化酶活性（如硝酸還原酶）影響N?O生成，為優化MFC操作以減少溫室氣體提供了關鍵參數。

驗證電子傳遞對反硝化路徑的影響：通過Unisense數據計算的N?O產率（結合庫侖定律），證實低外阻（50Ω）增強電子流，促進ADB還原NO??至N?O而非N?。這一發現揭示了電極電子通量對反硝化終產物的調控作用，對設計低碳MFC系統避免N?O積累具有警示意義。

 

技術優勢保障數據可靠性：Unisense傳感器的高選擇性（抗CO?等干擾）和微尺度分辨率（適用于生物膜界面），使其能準確捕捉瞬態N?O波動，避免了傳統氣相色譜的滯后性。這些高質量數據是論證“好氧反硝化存在N?O泄漏”的核心證據，支撐了全文關于反硝化路徑權衡的結論。

 

綜上所述，丹麥Unisense N?O微傳感器在本研究中扮演了“過程追蹤器”的角色。其提供的實時N?O濃度動態，不僅是證明好氧反硝化活性的“指示劑”，更是連接DO調控、電子傳遞與溫室氣體排放的橋梁。沒有這項技術，對反硝化路徑的環境影響評估將缺乏直接數據，難以揭示高DO下MFC的潛在生態風險。因此，它是深入解析生物電化學系統反硝化機制不可或缺的工具。