环 境 工 程EnvironmentalEngineering
Vol.38 No.9Sep. 2020
微生物燃料电池技术对土壤中铅(Pb)的去除研究
陆洪省∗ 高宇婷 张 雪 孙珮铭 邱萌萌
(山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛266590)
2+
摘要:为探讨微生物燃料电池对土壤中重金属的去除效能,测定双室MFCs的产电性能。实验以盐桥作为质子通道,构建并利用双室微生物燃料电池(MFCs)对土壤中铅(Pb2)进行去除,铅(Pb2)的测定采用火焰原子吸收分光光度法;电极板上铅(Pb)的富集采用扫描电镜观察和能谱方法分析;阳极液中分离的细菌的系统分类学位置通过分离、纯化和16SrDNA测序以及创建系统树来解析。实验表明:MFCs运行10d后,土壤中铅(Pb)的去除率高达64.40%,最
++
大电压值为69.63mV;从阳极液中分离出的细菌的系统分类学位置分析表明,2株细菌分别与StenotrophomonasmaltophiliastrainLH15(KM893074)和Pseudomonassp.putidastrain(MF996382)同源性最高,且均为100%,两菌株分别
为嗜麦芽窄食单胞菌和为恶臭假单胞菌,并分别命名为SKD-GYT-1(LC479453)和SKD-GYT-2(LC479454),对其产电能力的分析仍有待探索。研究表明,土壤微生物燃料电池的产电能力较高,对于土壤中铅的去除效果明显。关键词:双室微生物燃料电池(MFCs);土壤;铅(Pb2);扫描电镜;能谱分析
+
DOI:10.13205/j.hjgc.202009038
REMOVALOFLEAD(Pb2)FROMSOILWITHMICROBIALFUELCELLSTECHNOLOGY
+
(SchoolofChemicalandEnvironmentalEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)
LUHong-sheng∗,GAOYu-ting,ZHANGXue,SUNPei-ming,QIUMeng-meng
Abstract:Inordertoinvestigatetheremovalcapabilityofheavymetalsfromsoilbymicrobialfuelcells,wemeasurethe
electricalperformanceofadouble-chambermicrobialfuelcell(MFCs),andsaltbridgewasusedastheprotonchannelin
MFCs.Theconcentrationoflead(Pb2)wasdeterminedbyflameatomicabsorptionspectrophotometry.TheenrichmentofPb
+
onelectrodeplatewasobservedbyscanningelectronmicroscopeandanalyzedbyenergydispersivespectroscopy.The
systematictaxonomicpositionofthebacteriaisolatedfromtheanolytewasanalyzedbyisolation,purification,16SrDNA
sequencing,andtheestablishmentofthesystemtree.Theresultsshowedthatafter10daysofMFCsoperation,theremovaloflead(Pb2)fromsoilwasashighas64.40%,andthemaximumvoltagewas69.63mV.Thesystematictaxonomicposition
+
analysisofthebacteriaisolatedfromtheanolyteshowedthatthetwobacteriahadthehighesthomologyof100%with
StenotrophomonasmaltophiliastrainLH15(KM893074)andPseudomonassp.putidastrain(MF996382)respectively.Based
ontheaboveresults,thetwostrainsweredefinedintoStentrophomonasandPseudomonasbygenus,andnamedSKD-GYT-1(LC479453)andSKD-GYT-2(LC479454)respectively,andtheirpowergenerationcapacityremainedtobeexplored.Soilmicrobialfuelcellshaveahighcapacityofgeneratingelectricityandobviouseffectontheremovalofleadfromsoil.
Keywords:double-chambermicrobialfuelcells(MFCs);soil;lead(Pb2);SEM;EDS
+
0 引 言
土壤重金属污染主要包括汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属砷(As)等生物毒性显著的元素,以及有一定毒性的锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)等元 - 07 -22 收稿日期:2019
素。目前对于土壤重金属的修复方法主要有物理修复、化学修复、生物修复等。物理修复主要包括电动修复[1]、热解吸[2]等方法,化学修复主要包括土壤淋洗[3]、稳定固化法[4],生物修复法主要有植物修复及
基金项目:山东省博士后创新项目基金(201201008)。
∗第一作者、通信作者:陈洪省(1972-),男,博士,副教授,主要从事土壤污染修复研究。hslu628@163.com
第9期
陆洪省,等:微生物燃料电池技术对土壤中铅(Pb2)的去除研究
+
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动物修复、微生物修复。
近年来,国内外利用微生物燃料电池(MFC)技术对土壤中污染修复的研究逐渐增多[5-8]:Huang等[9]用被Cr(Ⅵ)污染的土壤来构建土壤微生物燃料电池,修复Cr(Ⅵ)污染土壤,在生物阴极完成了Cr(Ⅵ)的还原过程;Afsham等[10]分别用土壤和地下水构建MFC,研究其产电性能和阴极室硝酸盐的去除效果;Cao等[11]使用MFC来降解土壤中难降解的六氯苯;Habibul等[12]以乙酸盐为阳极液底物构建微电性能等方面进行了研究,较之前利用质子交换膜作为质子通道的微生物燃料电池技术具有成本低廉的优势。另外,土壤中有机质资源庞大[15],微生物种类多,本研究还分析了土壤中细菌对铅的去除影响以及对产电效能的影响,其对揭示土壤微生物燃料电池的运行机理具有一定的参考价值,并可为土壤中重金属的污染治理提供参考。1 实验部分
1.1 土壤MFC的构造
生物燃料电池,对土壤中Cd和Pb的去除进行了研究,并分析了土壤中pH的变化与Cd和Pb去除率以及产电效能的相关性。相较于水和大气的污染治理,Pb2+
对土壤的污染更难修复和治理,而微生物燃料电
池技术成本低、不产生二次污染,并且还可以产生少量的电能,成为当前土壤修复领域的热点之一。微生物燃料电池(microbial是利用产电微生物,将有机物中的化学能直接转化成fuelcell,MFC)技术
电能[13,14]机物分解并释放出电子和质子,在阳极室厌氧的环境下,释放的电子通过电子,阳极微生物将有传递介体进行传递,并通过外电路传递到阴极,从而形成电流。质子通过质子交换膜或盐桥传递到阴极,电子、氧化剂(一般为O2应,完成整个过程的电子传递)和质子在阴极发生还原反。
当以乙酸为底物时,MFC阴极反应:O2-+
2个电极反应式分别为:
阳极反应:CH+4eCOO+4H+2H→2H2O,3-发生还原反应2O→2CO2+8e-+7H+
,发
;
生氧化反应。
微生物燃料电池技术工作原理如图1所示。
图1 微生物燃料电池原理
Figure1 Schematicdiagramofmicrobialfuelcell
本研究利用盐桥作为质子通道,构建双室微生物燃料电池对土壤中铅的去除率、微生物燃料电池的产
实验装置采用双室装置,分为4组平行实验,装置如图2所示。阳极室有效容积为500中加入含铅的土壤,两电极均选择石墨板作为电极材mL,阴极室
料,均为3℃的条件下进行cm×0.。
5cm×5cm(长×宽×厚),实验在301—阳极室;2—阴极室6—电源;3—;电阻箱7—石墨板;4—;计算机8—盐桥;。
5—数据采集装置;
注:设4个平行组;▲代表取样位置,其中a、c、e、g分别代表靠近
石墨板的位置,b、d、f、h分别代表远离石墨板的位置。
图2 微生物燃料电池装置
Figure2 Settingofthemicrobialfuelcells
1.2 接种挂膜1.2.1 阳极室的安装
阳极室中采用乙酸钠(0.4组成成分:NH4Cl(0.31g/L)g、/KClL)作为底物(0.13g,/其他
NaL)、
2为7.HPO40左右(2.。75土壤浸出液作为阳极液中产电g/L)、NaH2PO4(4.97g/L),调微节生pH物的来源,按体积比1∶9的比例加入阳极液中,混合均
匀,利用厌氧袋方法保证阳极室为厌氧状态,将石墨板放入已经混合均匀的阳极液中挂膜41.2.2 阴极室的安装
d。
含铅土壤的制备:阴极室中所用土壤采集于山东
238
环 境 工 程
表1 铅标准曲线的绘制数据
第38卷
科技大学校园内,称取一定量的Pb(NO3)2(称取量可根据所需的总土量计算而得)溶解后喷洒,并搅拌均匀到土壤中,制备成含铅土壤。实验分为4个平行组,每个平行组中土壤均为1kg,第1组与第3组土壤
Table1 Thedatasheetoflead’sstandardcurve
序号质量浓度/(g/L)吸光度
0
10.0000
21.00.0171
32.00.0340
43.00.0505
54.00.0676
++
65.00.0846
中铅浓度一致,约为1800mg/kg,第2组与第4组土壤
中铅浓度一致,约为3600mg/kg。将第2组与第4组
式中:C0为未经过MFC处理的土壤中Pb2的浓度,mg/kg;Ci为实验结束后阴极室土壤中Pb2的浓度,1.3.3 阴极板富集物的扫描鉴定方法
土壤样品分别用手提式压力蒸汽灭菌器(DSX-280B)
灭菌,空白组含铅土壤的制备方法分别同第1组、第3组和第2组、第4组,但均未参与微生物燃料电池运mg/kg,浓度值为3次测定平均值。
行,作为土壤中铅浓度测定的初始值。实验过程中每天向阴极室土壤添加水分使其处于湿润状态。1.2.3 盐桥的制作及MFCs的运行
的传递MFCs,但质子交换膜中通常采用(质PEM)子交造价高换膜(PEM),且质子传递能进行质子
力比较弱,因此本双室MFCs采用盐桥连接[16]桥[17]的两端分别与阴阳两极的石墨电极板接触。,盐外电路由铜导线分别与两电极板、电阻箱(J2361)连接形成闭合回路,外接电阻设为1000极板挂膜4Ω,待阳极室中电
1.3 分析方法
d后启动MFCs。
1.3.1 电化学特性的测定方法
启动MFCs后,MFCs的输出电压由舟正科技DAQM-4202采集卡采集,由于本实验为,与计算机4个平行组连接,每隔,即采用1集1次电压数据s采
41.组通道3.2 土壤样品的分析测定方法
。
1)MFCs土壤样品的处理与测定运行10d后,分别在每组装置中靠近石墨
。
板位置a、c、e、g处,远离石墨板位置b、d、f、h处采取土样,测定土壤中铅(Pb2+
土壤中铅的测定方法):的浓度采用微。
波消解法[18]先对
待测土壤进行预处理,用火焰原子吸收分光光度法[19]986F)—测定土壤消解液中的——火焰原子吸收分Pb光2光+
度计(普析TAS-2)制备标准曲线的绘制0,1.0,2.0,3.。
。
0,4.0,5.0梯度的铅标准溶液,分别测其吸光度g/,L测定步骤参照5个不同浓度
火焰原子吸收分光光度计说明书进行,铅标准溶液浓度以及对应测定的吸光度值如表1所示,并根据数据绘制标准曲线。
3)重金属的去除率重金属的去除率。计算公式见式=(C)/(1)C:
0-Ci0
(1)
将阴极板固定于样品台上,用扫描电镜(SEMAPREO)散谱分析方观察其法)表对面阴形极态板,上并微用观EDS区域(部X射分线的能元量素色分布进行分析。
1.4 阳极液中细菌的分离与系统分类学位置分析1.4.1 细菌的富集
对阳极液中的细菌进行富集,所用富集培养基为液体LB培养基,配方为:105g/L酵母粉,pH调整为7.2,1g/L×10蛋白胨5Pa,取灭菌、10g阳极30/L室min。
NaCl、
富集过程:在MFCs运行结束后溶液
按体积比1∶20加入上述灭菌的LB液体培养基中,厌氧培养31.4.2 细菌的分离纯化及鉴定
d,培养温度为30℃,得到细菌的富集液。
采用平板划线的方法对上述富集液进行细菌分离,所用培养基为LB固体培养基,配制过程中加入15的琼脂,其他成分和配制过程同LB液体培养基。
g/L
分离纯化过程:将富集液划线到LB固体平板培养基上,30单菌落,多次重复划线培养℃条件下静置培养,根据菌落外部特征共分,待长出菌落后,挑取离纯化到2株细菌,分别命名为GYT-2。
SKD-GYT-1和SKD-细菌的分子生物学鉴定过程:将纯化后的细菌
SKD-GYT-1和16S产物进行确认rDNA和测序SKD-GYT-2进行DNA提取、PCR扩增,委托睿博兴科生物技术有限公司测序,后用琼脂糖凝胶电泳对PCR扩增部进行测序,利用NCBI数据库和Blast程序进行同源性分析,使用ClustalX1.83软件和MEGA用邻接法(Neighbor-Joining)构建系统发育树5.[20]0软件采
2 结果与分析
。
2.1 产电性能分析
在MFC正常运行,外电阻为10004组平行样(可分为2组平行实验)的输出电Ω的条压件随下,
间变化如图3所示,采集数据记录的时间间隔为1时
s,
第9期
陆洪省,等:微生物燃料电池技术对土壤中铅(Pb2)的去除研究
+
239
横坐标以分钟计时。由图3可看出:1)土壤中重金属浓度相同条件下,未灭菌土壤的产电性能大于已灭菌土壤的产电性能,即电压①>②和电压③>④,这可能是由于土壤中的细菌带负电荷,有利于Pb2向阴极板附近移动;2)在土壤中Pb2浓度不同的条件下,土壤
微生物燃料电池(MFCs)运行10d后,测定土壤中铅的去除率。由表2可看出:第1组实验中距离电极板最近的土壤中(a)铅的去除率最高,高达64.40%,第4组中距离电极板最远土壤中(h)铅的去除率最低,为17.83%。土壤中Pb2初始浓度相同条件下,距离阴极板近的土壤中Pb2的浓度低于距离阴极板远的土壤中Pb2的浓度;除第1与第2组实验中远离石墨板位置外,距离阴极板距离相同土壤中,未灭菌土壤中铅的浓度低于灭菌土壤中铅的浓度,这表+
++
+
+
中Pb2浓度低时,其产电性能优于土壤中Pb2浓度高时的产电性能,即电压①>③和电压②>④,这可能是由于高浓度的有毒金属对土壤呼吸产生负面影响,降低了离子的迁移速率。另外,电压曲线波动的原因++
可能是由于温度影响,其中最大电压出现在第1组,最大电压值为69.63mV。
—●——1800mg/kg(未灭菌);—▲—1800mg/kg(已灭菌);
■—3600mg/kg(未灭菌);—★—3600mg/kg(已灭菌)。
图3 输出电压随时间变化
Figure3 Voltagechangingwithtime
2.2 重金属的去除效率
离阴极板由近到远的方式分别取MFCs运行10d后,停止运行2,对每组个土样MFCs,共得到按距
8个土样(图土样中重金2)属,铅然后采用火焰原子吸收分光光度法对
的浓度进行测定。4组空白土壤中铅的测定方法同1.3.2节,再根据铅的标准曲线得到第1—4组空白土壤中铅浓度分别为1811.18,1703.45,3614.98,3597.24的去除率,结果如表2所示。
mg/kg,利用式(1)求出铅
表2 不同组中不同位置的铅浓度
Table2 Leadconcentrationsatdifferentlocations
indifferentgroups
实验组处理后Pb+
是否距离石墨板的
重金属1a(2浓度/
灭菌位置
去除率/%2bc1269.644.mg/kg)
78否近1241.98否远64.3de1198.01是近29.402254.71是远27.884
gf2408.24否近29.1537.63h
2812.26否2955.9090
是远33.64是
近远
21.3817.8083
明阴极未灭菌土壤中由于细菌(细菌带负电荷)的存在,促进了带正电荷Pb2+
向阴极板移动,Pb2+
在土壤中移动和在石墨板上形成铅单质的可能的原理如图4所示。
阳极反应式:CH3COO-+2H2O-8e-→2CO2+7H+
,发生氧化反应;
阴极反应式:O2+4e-+4H+→2H2O,Pb2++2e-→Pb,发生还原反应。
图4 铅在土壤中移动和在石墨板上形成铅单质的原理Figure4 Schematicformingleaddiagramelementalofleadingraphitemovingthroughplates
soiland
2.3 阴极板的扫描电镜以及能谱分析
微生物燃料电池(MFCs)停止运行后,将阴极板从土壤中取出,用扫描电镜(SEM墨板进行扫描,其扫描电镜标记图见图APREO)5。对阴极石
图中灰白部分均为Pb元素标记,可以看出:在阴极板上附着大量铅,这可能是土壤中Pb2+
在阴极板上与阳极室中
产电微生物代谢产生的电子发生了还原反应,形成铅单质而附着在阴极板表面。使用EDS(X射线能量色散谱分析方法)对电极板上的微观区域部分的元素分布进行了分析,得到阴极板能谱图6,这同样也证明了阴极板存在铅,这与2.2土壤中铅浓度分布以及扫描电镜标记(图5)结果一致。
从EDS能谱(图6)中还可以看到,O、Si、Al、Ca、Na、K、Mg板上覆盖的土壤所致等元素的峰。
较为明显,这可能是阴极电极240
环 境 工 程第38卷
3 结 论
去除效果显著,运行10d后,土壤中铅的去除率高达
1)本研究表明,土壤微生物燃料电池对于铅的
64.40%,距离阴极板越近的土壤中铅的浓度越低。
处理的土壤组的MFCs的产电性能明显高于经过灭
图5 阴极板铅元素标记Figure5 Leadchartforcathodeplate
2)稳定运行时电压高达69.63mV,未经过灭菌
菌处理的土壤组的电压,低浓度铅的土壤组的电压值和铅的去除效果明显高于高浓度铅的土壤组。3)阳极液中分离到2株细菌,并命名为SKD-图6 阴极板的能谱分析
Figure6 Energydispersivespectrometerofcathodeplates
2.4 阳极液中细菌的系统分类学位置分析
阳极室中存在许多电化学活性微生物,它们可以依靠自身的能力将土壤中的有机物氧化分解并产生质子和电子,属于产电微生物。MFC运行结束后,将阳极液用LB液体培养基富集并用平板划线的方法进行纯化,共得到2株细菌,分别命名为SKD-GYT-1和SKD-GYT-2。对2株细菌进行系统发育树构建,如图7所示。系统发育树(图7)表明,SKD-GYT-1(LC479453)菌株与Stenotrophomonasmaltophiliastrain
LH15芽窄食菌株聚在同一进化支单胞菌;SKD-GYT-2,同源性为100%,为嗜麦Pseudomonassp.putidastrain菌(株LC479454聚在同一)进菌化株支与
,同源性为100%,为恶臭假单胞菌。
图7 2株细菌的系统发育树
Figure7 Phylogenetictreeofthetwobateriastrains
GYT-1壤中铅的去除效果理想4)和采用盐桥SKD-GYT-2。
代替质,子既节省成本膜组装的双,又可重复使用室MFCs对土
。这为实现环境友好型技术的应用奠定了基础,对土壤中重金属的去除研究具有积极意义。
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