生物電化學體系提高洛克沙胂轉化效率的3種方式

許潤東　施華升　趙冉冉

摘要 本試驗構建了3種生物電化學體系的串并聯方式，研究了不同生物電化學系統對洛克沙胂的轉化與各反應器不串聯或并聯時對洛克沙胂的轉化情況。結果表明，在電極面積為6.3 cm2和37.5 cm2的電化學串聯系統，各電化學體系中洛克沙胂轉化效率均有不同程度的增加；在25.0 cm2和25.0 cm2的電化學并聯系統，洛克沙胂轉化效率均增加。在50.0 cm2和0 cm2的電化學并聯系統，面積為50.0 cm2的電化學體系轉化效率增加；面積為0 cm2的電化學體系轉化受到抑制。

關鍵詞 洛克沙胂；生物電化學體系；轉化效率；串聯；并聯

中圖分類號 X703 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）16-0231-03

Abstract To improve roxarsone′s tranformation in bio-electrolchemical systems，this study constructed 3 bio-electrolchemical systems with series or parallel mode.The results showed that in the iseries connection system which electrode area were 6.3 cm2 and 37.5 cm2，the conversion efficiency improved differently；in the parallel connection system which electrode area were 25.0 cm2 and 25.0 cm2，the conversion efficiency both improved；in the parallel connection system which electrode area were 0 cm2 and 50.0 cm2，the conversion efficiency improved in 50.0 cm2，but the conversion efficiency decreased in 0 cm2.

Key words roxarsone；bio-electrolchemical system；conversion efficiency；iseries connection；parallel connection

洛克沙胂（roxarsone，簡寫ROX）化學名為3-硝基-4-羥基苯胂酸，是一種有機砷類飼料添加劑，被廣泛運用于畜禽養殖中[1]。而養殖場對于含有洛克沙胂的糞便往往沒有較好地處理，導致糞便中的砷以各種形式進入環境，其中有部分進入水體，對水體造成污染[2-3]。

微生物電化學體系（bio-electrochemical system）是利用產電微生物將有機物轉化為電能的裝置[4-5]。研究人員發現，通過降低生物電化學體系的內電阻并且給予適當的外電阻有利于提高生物電化學體系的性能[6]；或者修飾電極，使用催化劑；向陽極添加電子介體；改變電池結構等方式來提高電化學體系的性能。生物電化學體系目前最大的瓶頸是如何提高產電性能以及如何降低制作成本。生物電化學體系由于內阻的原因輸出電壓相對降低[7]。

本試驗構建了3個生物電化學體系的串并聯方式，改變了生物電化學體系的產電條件，分別研究了2個相同功率的電化學體系并聯、2個不同功率電化學體系并聯以及2個不同電化學體系串聯共3種情況下生物電化學體系對洛克沙胂的轉化情況與各反應器不串聯時對洛克沙胂的轉化情況的對比研究，以期為洛克沙胂轉化提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為生物電化學體系、洛克沙胂。

1.2 試驗方法

取7個反應器進行啟動，啟動完成后在未串并聯時進行試驗，分別在0、8、16、24、32、40、48 h取樣，檢測并記錄電壓。之后重新啟動反應器，將反應器進行串并聯，并檢測取樣。

1.3 生物電化學體系的構建

本試驗使用3種不同的串聯、并聯方式（圖1）來探究生物電化學體系提高轉化ROX轉化效率的方法。

1.4 檢測項目與方法

本試驗使用高效液相色譜儀（安捷倫1260）檢測樣品中ROX及其衍生產物的含量；使用原子熒光形態分析儀（北京吉天儀器AFS-8220）檢測樣品中AsⅢ、AsⅤ的含量。使用ROX流動相，按照規范操作使用安捷倫高效液相色譜儀檢測ROX與3-硝基-4-羥基苯胂酸（HAPA），使用制備的還原劑與載流以及無機砷流動相，按照說明規范操作原子熒光形態分析測試儀，檢測無機砷。將得到的數據保存于電腦中，使用電壓記錄儀記錄電壓。

1.5 數據處理

使用Origin作圖。

2 結果與分析

2.1 各產電條件下洛克沙胂的生物轉化

由圖2可知，陽極碳氈面積為6.3 cm2的電化學體系經24 h濃度轉化至33.0 μmol/L，不串聯的則轉化至31.0 μmol/L；48 h串聯的濃度降低至8.3 μmol/L，未串聯的濃度降低至4.3 μmol/L。8 h洛克沙胂轉化效率17.8%。串聯的37.5 cm2電化學體系在24 h內洛克沙胂濃度轉化至1.9 μmol/L，在32 h時陽極液內的洛克沙胂即已轉化完畢，8 h洛克沙胂轉化效率62.2%。HAPA的生成基本與洛克沙胂的轉化保持一致，經串聯的37.5 cm2與6.3 cm2電化學體系在反應24 h時分別產生0.069 mmol/L與0.041 mmol/L濃度的HAPA，未串聯的37.5 cm2與6.3 cm2電化學體系24 h反應分別產生0.05 mmol/L與0.037 mmol/L的HAPA。串聯的37.5 cm2電池在反應進行到32 h時HAPA濃度達到峰值0.071 mmol/L，之后逐漸下降，在反應周期結束時降低至0.066 mmol/L。而同面積未串聯的電池也在32 h時HAPA濃度達到峰值0.066 mmol/L，之后逐漸降低至0.064 mmol/L。二者總體趨勢保持一致。而經串聯的6.3 cm2的電化學體系HAPA一直保持上升趨勢。反應24 h陽極HAPA濃度達到0.041 mmol/L，在反應周期結束時，陽極HAPA濃度為0.063 mmol/L。未串聯的6.3 cm2電化學體系HAPA也一直在上升，經24 h后HAPA濃度上升至0.037 mmol/L，48 h反應濃度升至0.064 mmol/L。endprint

由圖3可知，當2個不同電壓的電池并聯，在 8 h時碳氈面積為50.0 cm2的并聯電化學體系內ROX濃度即轉化至0.033 mmol/L，轉化效率58%，而正常產電的50.0 cm2電化學體系反應8 h時陽極ROX濃度降至0.053 mmol/L；碳氈面積為0 cm2的并聯電化學體系內ROX濃度8 h降低至0.073 mmol/L，轉化效率4.4%。而未并聯的電化學體系在8 h時陽極ROX濃度轉化至0.065 mmol/L。在反應至24 h碳氈面積為50.0 cm2的并聯電化學體系內ROX濃度轉化至0.076 μmol/L，而正常產電的50.0 cm2電化學體系在反應中期陽極ROX濃度降至0.013 mmol/L；碳氈面積為0 cm2的并聯電化學體系內ROX在反應中期濃度降低至0.049 mmol/L，而未并聯的電化學體系在反應中期陽極ROX濃度轉化至0.036 mmol/L。在反應至32 h時碳氈面積為50.0 cm2的并聯電化學體系內ROX濃度轉化完畢，而正常產電的50.0 cm2電化學體系在反應周期結束時陽極ROX濃度降至0.7 μmol/L；碳氈面積為0 cm2的并聯電化學體系內ROX在反應周期結束時濃度降低至0.02 mmol/L，而未并聯的電化學體系在反應中期陽極ROX濃度轉化至0.004 2 mmol/L。

反應16 h時2個電極面積相同的并聯電化學體系陽極洛克沙胂濃度分別降低至0.022、0.019 mmol/L，8 h洛克沙胂轉化效率分別為42.6%與46.2%。正常反應的電化學體系陽極內洛克沙胂濃度降低至0.042 mmol/L。反應周期進行1/2時并聯組電化學體系內洛克沙胂濃度降至0.009 mmol/L與0.01 mmol/L，正常的電化學體系洛克沙胂濃度降低至0.02 mmol/L。經32 h并聯組電池洛克沙胂轉化完。并聯的2個25.0 cm2電化學體系HAPA濃度上升趨勢基本一致，24 h的HAPA濃度分別上升至0.063 mmol/L與0.064 mmol/L，在40 h時二者HAPA濃度均達到峰值，分別為0.07 mmol/L與0.07 mmol/L，48 h時HAPA濃度分別為0.067 mmol/L與0.068 mmol/L。

對于HAPA，并聯面積為50.0 cm2的電化學體系HAPA濃度在24 h時出現峰值0.071mmol/L，之后HAPA濃度逐漸降低，在反應結束時HAPA濃度降低至0.06 mmol/L。而未并聯的50.0 cm2的電化學體系在40 h時HAPA濃度達到峰值0.067 mmol/L，在反應結束時HAPA濃度降低至0.062 mmol/L。并聯的陽極碳氈面及為0 cm2的電化學體系在反應中期陽極HAPA濃度0.028 mmol/L，在反應周期結束時HAPA濃度達到0.054 mmol/L。正常反應的電化學體系在24 h時HAPA濃度達到0.041 mmol/L，在反應周期結束時HAPA濃度為0.069 mmol/L。

并聯狀態對不同陽極碳氈面積的電化學體系有著明顯的區別，對于碳氈面積較大的電化學體系具有明顯的促進作用，而對于面積較小的電化學體系則有明顯的抑制作用。各電化學體系轉化效率見表1。

2.2 各電化學體系的電壓

由圖4可知，與正常產電條件相比，相同面積并聯電壓48 h降低至278 mV，不同面積并聯電壓48 h降低至225 mV，不同面積串聯電壓48 h降低至252 mV。

面積較大的電化學體系在并聯過程中電壓均降低，而面積較小的電化學體系電壓升高。在串聯條件下，2個串聯電池的電壓并沒有提高整體電壓。

3 結論

（1）陽極碳氈面積為6.3 cm2的電化學體系經48 h串聯，洛克沙胂濃度降低至8.3 μmol/L，未串聯的濃度降低至4.3 μmol/L。串聯的37.5 cm2電化學體系在32 h時，陽極液內的洛克沙胂即已轉化完畢；而同面積未串聯電池也在32 h時HAPA濃度達到峰值0.066 mmol/L，48 h降低至0.064 mmol/L。未串聯的6.3 cm2電化學體系HAPA一直在上升，經48 h反應濃度升至0.064 mmol/L。經串聯的面積為6.3 cm2的電化學體系8 h轉化效率提升2.8%，串聯的面積為37.5 cm2的電化學體系8 h轉化效率提升30.2%。

（2）2個并聯的電化學體系陽極洛克沙胂濃度經32 h并聯組電池洛克沙胂轉化完。正常的電化學體系洛克沙胂濃度24 h降低至0.02 mmol/L。并聯的2個25.0 cm2電化學體系48 h HAPA濃度分別為0.067 mmol/L與0.068 mmol/L。當2個25.0 cm2（厚度5 mm）面積的電化學體系并聯時，電化學體系轉化功率整體上升，并且每個電化學體系對陽極一定濃度洛克沙胂的轉化效率均提升。并聯的電化學體系8 h ROX轉化效率提升21.8%。

（3）2個不同電壓的電池串聯， 8 h時碳氈面積為 50.0 cm2的并聯電化學體系在反應至32 h時ROX轉化完，而正常產電的50.0 cm2電化學體系在反應周期結束時陽極ROX濃度降至0.7 μmol/L；碳氈面積為0 cm2的并聯電化學體系內ROX在反應周期結束時濃度降低至0.02 mmol/L，而未并聯的電化學體系在反應中期ROX濃度降低至0.004 2 mmol/L。并聯面積為50.0 cm2的電化學體系8 h時ROX轉化效率提升28.4%，并聯面積為0 cm2的電化學體系8 h時ROX轉化效率降低10%。

4 參考文獻

[1] NEWMAN D K，KOLTER R.A role for excreted quinones in extracellular electron transfer[J].Nature，2000，405（6782）：94.

[2] NEVIN K P，LOVLEY D R.Mechanisms for Accessing Insoluble Fe（Ⅲ）Oxide duringDissimilatoryFe（Ⅲ）Reduction by Geothrix fermentans[J].Applied & Environmental Microbiology，2002，68（5）：2294-2299.

[3] BOND D R，HOLMES D E，TENDER L M，et al.Electrode-Reducing Microorganisms ThatHarvest Energy from Marine Sediments[J].Science，2002，295（5554）：483.

[4] LARMINIE J，DICKS A. Fuel Cell Systems Explained，2nd Edition[M].Hoboken：John Wiley&Sons，Inc，2013.

[5] 李少華，杜竹瑋，祝學遠，等.Rhodoferax ferrireducens微生物電化學體系中釩化合物的催化性能[J].過程工程學報，2007，7（3）：589-593.

[6] SCHRODER U，NIESSEN J，SCHOLZ F.A generation of microbial fuel cells with current outputsboosted by more than one order of magnitude[J].Angewandte Chemie，2003，115（25）：2986-2989.

[7] 趙磊，馮澤勝，張鈞，等. 微生物電化學體系性能的影響因素研究[J].中國農學通報，2008，24（11）：97-102.endprint