微生物燃料電池對(duì)磺胺間甲氧嘧啶的降解研究

楊玉蓉，蔣 瑾，劉小紅，司友斌

（農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036）

磺胺類(lèi)抗生素（Sulfonamides，SAs）是一類(lèi)以對(duì)氨基苯磺酰胺為母體結(jié)構(gòu)的藥品總稱(chēng)，因其具有廣譜抗菌性和便于長(zhǎng)期保存的特性，而被廣泛應(yīng)用于人類(lèi)醫(yī)療、畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)[1]。研究表明，抗生素在進(jìn)入人和動(dòng)物體內(nèi)后不能全部被機(jī)體吸收，會(huì)有40%～90%以原藥或初級(jí)代謝產(chǎn)物的形式隨糞便和尿液排出體外[2]進(jìn)入環(huán)境。進(jìn)入環(huán)境的抗生素不僅會(huì)造成嚴(yán)重的化學(xué)污染，還會(huì)誘導(dǎo)環(huán)境中的微生物產(chǎn)生耐藥性，生成抗性基因，以此加速在環(huán)境中的擴(kuò)散和傳播，從而危害人類(lèi)健康，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成潛在威脅[3]。目前，處理抗生素殘留的方法包括高級(jí)氧化法、活性炭吸附法、低溫等離子體技術(shù)、膜處理法[4]和生物處理等[5]。但這些方法存在成本高、管理復(fù)雜、處理不完全等缺點(diǎn)[6]。

利用微生物燃料電池（Microbial fuel cells，MFCs）技術(shù)處理有機(jī)污染物，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)污染物治理和電能的產(chǎn)生[7]。MFCs具有可利用多種有機(jī)底物、操作條件溫和、無(wú)二次污染、污染物利用率高等特點(diǎn)[8]，越來(lái)越成為污染治理研究中的一個(gè)重要方向。Miran等[9]采用磺胺甲惡唑（Sulfamethoxazole，SMX）馴化培養(yǎng)MFCs，通過(guò)制備不同濃度SMX的廢水，對(duì)MFCs在發(fā)電和SMX降解中的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，生物降解是去除SMX的主要過(guò)程。宋虹[10]通過(guò)構(gòu)建雙室方型MFCs，采用MFCs處理磺胺模擬廢水，研究了以葡萄糖和磺胺混合溶液作為陽(yáng)極底物條件下，MFCs處理磺胺廢水的效果及產(chǎn)電性能，結(jié)果表明磺胺的去除率可達(dá)到90%，且MFCs的產(chǎn)電性能良好。Wang等[11]從MFCs操作、降解產(chǎn)物、反應(yīng)機(jī)理等方面探討了MFCs中磺胺嘧啶（Sulfadiazine，SDZ）的去除，結(jié)果表明SDZ對(duì)反應(yīng)器微生物的活性有很大影響，在MFCs中對(duì)SDZ進(jìn)行生物降解需要長(zhǎng)時(shí)間的馴化，MFCs在24 h內(nèi)對(duì)初始濃度為10 mg·L-1的磺胺嘧啶的降解率達(dá)到80%。

在磺胺類(lèi)抗生素中，近年來(lái)畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)中使用量最大的磺胺間甲氧嘧啶（Sulfamonomethoxine，SMM）[12]研究較少。本文構(gòu)建了單室微生物燃料電池，通過(guò)改變電極材料、菌種條件、抗生素濃度以及腐植酸含量，探究MFCs對(duì)溶液中SMM的降解效果及其產(chǎn)電性能的變化。為實(shí)現(xiàn)水體環(huán)境中磺胺類(lèi)抗生素的高效低耗處理及MFCs產(chǎn)電性能的提高提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 MFCs裝置構(gòu)造

試驗(yàn)裝置如圖1所示，反應(yīng)液的總體積為120 mL，將18 mmol·L-1乳酸鈉作為電子供體溶于磷酸鹽緩沖液（Phosphate buffer solution，PBS）。磷酸鹽緩沖液由 Na2HPO4·12H2O 10.32 g·L-1、NaH2PO4·2H2O 3.32 g·L-1、NH4Cl 0.31 g·L-1、KCl 0.13 g·L-1及微量元素和維生素[13-14]組成。陽(yáng)極采用面積為22.5 cm2的碳材料（碳?xì)?、碳紙、石墨棒），用電極夾固定，參比電極為Ag/AgCl，陰極為鉑絲對(duì)極，外接電阻1000Ω。

圖1 MFCs裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the microbial fuel cell

1.2 試驗(yàn)材料與儀器

磺胺間甲氧嘧啶（SMM），純度大于99%；腐植酸（Humic acid，HA），純度大于90%；DL-乳酸鈉溶液（60%水溶液）購(gòu)自美國(guó)阿拉丁試劑公司。

試驗(yàn)菌種為Shewanella putrefaciens和Shewanella oneidensis MR-1，購(gòu)自中國(guó)海洋微生物菌種保藏管理中心（MCCC），菌種保藏編號(hào)分別為ATCC 8071和ATCC 700550。

MFCs的陽(yáng)極用電極夾（JJ 110，上海越磁）固定，參比電極為Ag/AgCl（CHI 111，上海辰華），陰極為鉑絲對(duì)極（CHI 115，上海辰華），外接電阻為直流電阻器（ZX98A，上海正陽(yáng)）。試驗(yàn)主要儀器為：電化學(xué)工作站（CHI660E，上海辰華）；Agilent 1220型高效液相色譜分析儀（美國(guó)安捷倫公司）；液相色譜三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜儀（Agilent 1290+G6460）；723PC紫外分光光度計(jì)（上海菁華科技儀器有限公司）。

1.3 MFCs的微生物接種與運(yùn)行

1.3.1 微生物接種方法

菌體接種至LB培養(yǎng)基（牛肉浸膏5.0 g·L-1、蛋白胨10.0 g·L-1、NaCl 5.0 g·L-1），30 ℃、150 r·min-1搖床中培養(yǎng)，菌體在OD600測(cè)定，光密度達(dá)到1.5左右后，以4000 r·min-1，離心 10 min[15-16]，離心后的菌體用生理鹽水洗滌3次，按比例混合濕菌體和無(wú)菌生理鹽水，制得菌體濃度為109cells·mL-1的菌懸液備用。用電解質(zhì)（95%PBS和5%LB，18 mol·L-1乳酸鈉）重新懸浮細(xì)菌至所需濃度（107cells·mL-1）后將電解質(zhì)接種于MFCs。不同菌種條件保持相同的接菌量，且分別設(shè)置3個(gè)平行，試驗(yàn)pH均為7.0。

1.3.2 MFCs啟動(dòng)

接種后的MFCs運(yùn)行15 h后觀(guān)察到電壓穩(wěn)定上升，運(yùn)行至電壓下降時(shí)更換電極液，持續(xù)運(yùn)行到電壓再次下降時(shí)繼續(xù)更換電極液，重復(fù)3次，觀(guān)察到輸出電壓隨時(shí)間正弦波動(dòng)后MFCs正式啟動(dòng)。

1.4 測(cè)定方法與數(shù)據(jù)處理

1.4.1 電化學(xué)測(cè)定

本研究測(cè)定MFCs的輸出電壓采用開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)法（Open circuit potential-Time，OCPT）。

當(dāng)MFCs裝置的輸出電壓達(dá)到高點(diǎn)時(shí)，用電化學(xué)工作站測(cè)量該MFCs體系的循環(huán)伏安（Cyclic voltammetry，CV）曲線(xiàn)，用來(lái)分析MFCs中微生物的電化學(xué)活性[17]。電壓范圍為-1.0～1.0 V，掃描速度設(shè)置為0.01 V·s-1。

測(cè)定MFCs的內(nèi)阻利用交流阻抗法，初始電壓為開(kāi)路電壓，頻率設(shè)置為0.01～100 000 Hz，利用電化學(xué)工作站完成，得出的數(shù)據(jù)用等效電路[18]擬合出Nyquist圖[19-20]，以定量評(píng)價(jià)電阻。

測(cè)量功率密度與極化曲線(xiàn)時(shí)，先將MFCs斷開(kāi)3 h，外接電阻分別設(shè)置為30、25、20、15、10、5.1、2.4、1 kΩ和510、200、100Ω，接入電阻后，每個(gè)電阻運(yùn)行10 min，待電壓穩(wěn)定后，記錄穩(wěn)定值，更換至下一組電阻，從而得到由高到低的一系列電壓值。

由歐姆定律可知：

式中：Rext為每次調(diào)節(jié)的外電阻電阻值；E為該電阻值對(duì)應(yīng)測(cè)得的開(kāi)路電壓；I為電流密度，由電流除以陽(yáng)極電極面積得到。

功率曲線(xiàn)是不同電流密度所對(duì)應(yīng)的功率密度的曲線(xiàn)。系統(tǒng)為開(kāi)路狀態(tài)時(shí)無(wú)電流輸出，因此輸出功率為0。當(dāng)系統(tǒng)處于閉路狀態(tài)，隨著電流密度的增加，功率密度增加至頂點(diǎn)。輸出功率計(jì)算公式：

單位面積電流計(jì)算的功率即為功率密度。通常用功率曲線(xiàn)的最高點(diǎn)來(lái)表明系統(tǒng)得到的最大功率。系統(tǒng)內(nèi)阻由極化曲線(xiàn)斜率除以陽(yáng)極面積計(jì)算得到。所有的電化學(xué)測(cè)量均由電化學(xué)工作站完成。

1.4.2 細(xì)菌數(shù)量測(cè)定

利用稀釋涂布法，取適量菌液用生理鹽水制成10-4、10-5、10-6、10-7、10-8、10-9等一系列稀釋菌液，充分混勻后吸取1 mL稀釋后的菌液分別接種至LB固體培養(yǎng)基（每個(gè)稀釋度設(shè)置3個(gè)平行），用無(wú)菌刮鏟將菌液在平板上涂抹均勻。將涂抹好的平板平放于桌上，待菌液滲透入培養(yǎng)基后，倒轉(zhuǎn)平板，30℃條件下保溫培養(yǎng)，至長(zhǎng)出菌落后即可計(jì)數(shù)。

1.4.3 SMM測(cè)定

研究不同SMM濃度下S.putrefaciens對(duì)SMM的降解能力及MFCs的電壓輸出時(shí)，SMM初始濃度設(shè)置為0、10、20、30、40 mg·L-1，每個(gè)濃度的 MFCs啟動(dòng)后測(cè)量電壓變化，當(dāng)電壓開(kāi)始下降時(shí)更換下一個(gè)SMM濃度，SMM濃度變化由低到高。研究腐植酸濃度對(duì)MFCs降解SMM的影響時(shí)，SMM初始濃度為10 mg·L-1，加入一定量腐植酸儲(chǔ)備液使其初始濃度分別為0、5、15、30、60 mg·L-1，每個(gè)腐植酸濃度的MFCs啟動(dòng)后測(cè)量電壓變化，當(dāng)電壓開(kāi)始下降時(shí)更換下一個(gè)腐植酸濃度，濃度變化由低到高。其他的試驗(yàn)初始SMM濃度均為10 mg·L-1，所有試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行。

利用高效液相色譜法測(cè)定溶液中SMM的含量，取1 mL樣品用適量甲醇洗滌，超聲振蕩，離心后取上清液過(guò)0.22μm水相濾膜，取濾液進(jìn)行液相測(cè)定。色譜柱：Agilent HC-C18，Analytical 4.6×250 mm；檢測(cè)波長(zhǎng) 270 nm；流速 1.0 mL·min-1；進(jìn)樣量 20 μL；柱溫40℃。液相測(cè)定流動(dòng)相A為0.4%乙酸，B為乙腈。梯度洗脫程序：0～7 min，70%A；7～8 min，60%A；8 min，70%A；后運(yùn)行1 min。在梯度洗脫程序條件下，SMM分離效果良好，保留時(shí)間為5.873 min。

SMM降解產(chǎn)物利用LC-MS進(jìn)行分析，通過(guò)LCMS檢測(cè)到的質(zhì)荷比以及對(duì)目標(biāo)離子的二級(jí)碎裂，推測(cè)可能的中間產(chǎn)物和相應(yīng)的降解途徑。采用C18柱（2.1 mm×100 mm，1.7μm），流動(dòng)相（乙腈∶0.4%乙酸=30∶70），流速0.3 mL·min-1，電噴霧電離正離子模式，毛細(xì)管電壓3.0 kV，噴霧壓力0.276 MPa，氣體溫度350℃，質(zhì)荷比（m/z）值直接讀出。

1.4.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合生物降解曲線(xiàn)并預(yù)估S.putrefaciens的SMM降解能力：

式中：C0為SMM的初始濃度；C為SMM的實(shí)測(cè)值；k為SMM降解速率常數(shù)，d-1，t為培養(yǎng)時(shí)間，d。

數(shù)據(jù)分析與標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算采用Excel 2010與Ori-gin 8.5軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 MFCs中產(chǎn)電菌生長(zhǎng)及其對(duì)SMM的降解動(dòng)力學(xué)

為了排除菌體對(duì)SMM吸附的影響，設(shè)置高溫滅活組作為對(duì)照，陽(yáng)極材料選用碳?xì)?。由圖2a可知，S.putrefaciens在培養(yǎng)1 d后直接進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，后3 d進(jìn)入生長(zhǎng)平緩期；在MFCs條件下S.putrefaciens對(duì)SMM的降解率為58.92%，菌體數(shù)量約為1.28×108cells·mL-1；在高溫滅活對(duì)照組中 S.putrefaciens對(duì)SMM的去除率非常低，說(shuō)明菌體本身對(duì)SMM的吸附作用不強(qiáng)。由圖2b可知，在SMM存在條件下以S.putrefaciens為產(chǎn)電菌種，MFCs的電化學(xué)活性良好。在高溫滅活對(duì)照組中MFCs幾乎沒(méi)有電化學(xué)活性，說(shuō)明SMM的降解以及MFCs電能的產(chǎn)生主要是因?yàn)镸FCs中活菌的存在。

2.2 陽(yáng)極材料對(duì)MFCs降解SMM及產(chǎn)電性能的影響

圖2 MFCs條件下S.putrefaciens的生長(zhǎng)曲線(xiàn)與SMM的降解曲線(xiàn)（a）及CV曲線(xiàn)（b）Figure 2 Growth curve of S.putrefaciens and degradation curves of SMM（a）and the CV curves of MFCs（b）

以S.putrefaciens為試驗(yàn)菌種，分別考察了以碳?xì)?、碳紙、石墨棒為?yáng)極材料的MFCs，以及沒(méi)有形成電池的純培養(yǎng)條件對(duì)SMM的降解能力，每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行。純培養(yǎng)條件下SMM的降解率僅為27.27%，明顯低于MFCs條件。圖3a中，3種不同陽(yáng)極材料條件下，MFCs對(duì)SMM的降解率分別為：碳?xì)?8.92%、碳紙50.31%、石墨棒33.55%。

由圖3b可知，MFCs的輸出功率與陽(yáng)極材料有較大的相關(guān)性，其中以碳?xì)譃殛?yáng)極材料時(shí)MFCs的最大輸出功率最大，達(dá)到 31.47 mW·m-2，其次是碳紙（26.67 mW·m-2），最后是石墨棒（10.25 mW·m-2）。由極化曲線(xiàn)計(jì)算可知，3種電極材料條件下MFCs的內(nèi)阻分別為：碳?xì)?25.38Ω、碳紙556.36Ω、石墨棒723.73Ω。試驗(yàn)結(jié)果表明，以碳?xì)譃殛?yáng)極材料時(shí)SMM的降解率最高，MFCs的產(chǎn)電性能最好，因此后續(xù)試驗(yàn)以碳?xì)肿鳛殛?yáng)極材料。

2.3 產(chǎn)電菌種類(lèi)對(duì)MFCs降解SMM及產(chǎn)電性能的影響

為考察菌種種類(lèi)對(duì)SMM的降解能力及MFCs的電化學(xué)活性，試驗(yàn)選擇兩種不同產(chǎn)電菌，分別為S.putrefaciens和S.oneidensis MR-1。由圖4a可知，相同MFCs運(yùn)行條件下S.putrefaciens的細(xì)菌數(shù)要高于S.oneidensis MR-1，且S.putrefaciens對(duì)SMM的降解率達(dá)到58.92%，高于S.oneidensis MR-1對(duì)SMM的降解率46.48%。

圖3 不同陽(yáng)極材料的MFCs條件下SMM的降解曲線(xiàn)（a）及MFCs功率密度曲線(xiàn)、極化曲線(xiàn)（b）Figure 3 Degradation curve of SMM under different anode materials（a）and power density curves and polarization curves（b）of MFCs

由圖4b可知，以S.putrefaciens為菌種條件下MFCs的最大輸出功率達(dá)到31.47 mW·m-2，高于S.oneidensis MR-1（24.96 mW·m-2）。由極化曲線(xiàn)計(jì)算可知，以S.oneidensis MR-1為菌種條件的MFCs內(nèi)阻為645.96Ω，比S.putrefaciens的MFCs內(nèi)阻高出120.57 Ω。由此可知，S.putrefaciens條件下MFCs裝置內(nèi)阻較低，裝置性能較好，從而提高了產(chǎn)電性能，且此菌種條件下SMM的降解率較高，因此后續(xù)試驗(yàn)以S.putrefaciens作為試驗(yàn)菌種。

2.4 初始SMM濃度對(duì)MFCs降解SMM及產(chǎn)電性能的影響

圖4 S.putrefaciens和S.oneidensis MR-1條件下MFCs對(duì)SMM的降解曲線(xiàn)（a）及MFCs功率密度曲線(xiàn)、極化曲線(xiàn)（b）Figure 4 Degradation curves of SMM by MFCs（a）and power density curves and polarization curves（b）under the inoculation of S.putrefaciens or S.oneidensis MR-1

由圖5a可知，初始SMM濃度為10、20、30、40 mg·L-1時(shí)的降解率分別為58.92%、30.89%、18.44%、12.05%，表明隨著SMM初始濃度增加，SMM的降解率逐漸降低。由圖5b可知，SMM的添加對(duì)MFCs的輸出電壓有負(fù)面影響。當(dāng)未添加SMM時(shí)MFCs的電化學(xué)活性良好，最大輸出電壓可達(dá)0.422 6 V；當(dāng)添加10 mg·L-1的SMM時(shí)，MFCs的最大輸出電壓下降到0.418 1 V，且添加的SMM濃度越高，MFCs的輸出電壓下降越明顯，SMM濃度為20、30、40 mg·L-1時(shí)，MFCs的最大輸出電壓分別下降到0.396 5、0.367 1、0.346 2 V。說(shuō)明SMM初始濃度不僅對(duì)SMM的降解率有很大影響，同時(shí)能影響MFCs的產(chǎn)電性能。

2.5 腐植酸濃度對(duì)MFCs降解SMM的影響

添加不同濃度腐植酸的MFCs運(yùn)行5 d，SMM降解率變化如圖6a所示。MFCs運(yùn)行到第3 d時(shí)SMM的降解基本趨于平緩，隨著添加腐植酸濃度增大，SMM的去除率增大，加入腐植酸濃度為5、15、30、60 mg·L-1時(shí)SMM的降解率分別為69.64%、73.93%、79.94%、80.96%。添加腐植酸能夠促進(jìn)MFCs體系中SMM的去除，但當(dāng)腐植酸濃度從30 mg·L-1增加到60 mg·L-1時(shí)，對(duì)SMM的去除影響較小。

圖5 不同初始SMM濃度條件下MFCs對(duì)SMM的降解曲線(xiàn)（a）和輸出電壓曲線(xiàn)（b）Figure 5 Degradation curves of SMM at different initial SMMconcentrations in MFCs（a）and output voltage curves（b）

由圖6b可知，腐植酸的添加利于MFCs的電壓輸出。隨著腐植酸濃度增加，MFCs的輸出電壓逐漸升高；當(dāng)腐植酸濃度從 5 mg·L-1增加到 15 mg·L-1時(shí)，MFCs電壓略有增加；當(dāng)腐植酸濃度從15 mg·L-1增加到30 mg·L-1時(shí)，MFCs的最大輸出電壓從0.439 1 V增加到0.458 4 V；當(dāng)腐植酸濃度從30 mg·L-1增加到60 mg·L-1時(shí)，MFCs最大輸出電壓變化不明顯。

由圖7可知，MFCs的歐姆電阻Rs以及極化電阻Rp1隨著腐植酸濃度的增加變化較小，擴(kuò)散阻抗Rp2受腐植酸濃度的影響較大，隨著腐植酸濃度增加，MFCs的擴(kuò)散內(nèi)阻增大。

2.6 SMM降解產(chǎn)物及降解途徑分析

圖6 不同初始腐植酸濃度條件下MFCs對(duì)SMM的降解曲線(xiàn)（a）及電壓曲線(xiàn)（b）Figure 6 SMM degradation curves（a）and output voltage curves（b）of MFCsat different initial HA concentration

在MFCs體系下，通過(guò)對(duì)母體及降解產(chǎn)物的分子式及質(zhì)荷比進(jìn)行分析，提出幾種主要降解中間產(chǎn)物于表1，這些產(chǎn)物已被證實(shí)是SMM的降解產(chǎn)物[21-22]。SMM的降解途徑如圖8所示，主要有4條：（a）SMM中的磺酰基中SO2被移除[23]，生成產(chǎn)物P216；（b）由于NS鍵不穩(wěn)定[22]，易被·OH攻擊，生成P173和P125，再分別脫除-NH2及氧化生成P158和P126，P158和P126可進(jìn)一步開(kāi)環(huán)而被完全礦化；（c）SMM可被體系中存在的·OH氧化生成中間產(chǎn)物P296和P326；（d）在微生物及MFCs體系的電子及H+的還原作用下SMM可降解形成中間產(chǎn)物P282，然后進(jìn)一步生成P284。

表1 MFCs體系中SMM降解的主要中間產(chǎn)物Table 1 Degradation products of SMM in MFCs system

圖7 不同初始腐植酸濃度條件下MFCs陽(yáng)極Nyquist圖（a）及內(nèi)部電阻分析圖（b）Figure 7 Nyquist plot（a）and internal resistor component analysisdiagrams（b）of MFCs at different initial HA concentrations

圖8 SMM的可能降解途徑Figure 8 The probable pathway of SMM degradation

3 討論

抗生素可作為MFCs的碳源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)抗生素的降解及MFCs的產(chǎn)電[24]。Wang等[11]研究了MFCs中微生物群落與磺胺嘧啶去除的相關(guān)性，得出磺胺嘧啶對(duì)MFCs中微生物活性有較大負(fù)面影響，降低了MFCs的產(chǎn)電性能和磺胺嘧啶的降解效率。Hartl等[25]通過(guò)MFCs對(duì)COD和氨氮的處理效率研究得出產(chǎn)電微生物活性越好，污染物降解率越高，產(chǎn)電性能越好。本研究中，相同MFCs條件下S.putrefaciens的活性要高于S.oneidensis MR-1，因此以S.putrefaciens為菌種條件的MFCs的產(chǎn)電性能及SMM降解性能要高于S.oneidensis MR-1為菌種的MFCs。此外，隨著初始SMM濃度增大，SMM降解率降低的同時(shí)MFCs的產(chǎn)電性能也降低。這與已報(bào)道的MFCs降解其他難降解有機(jī)物的結(jié)果一致[9，26]。

除微生物活性以外，MFCs的內(nèi)阻也是影響污染物降解以及MFCs產(chǎn)電性能的重要因素。陽(yáng)極材料的高孔隙率、高比表面積特性以及菌體在陽(yáng)極的附著情況會(huì)使MFCs的內(nèi)阻發(fā)生變化[27-29]。內(nèi)阻的增加會(huì)降低MFCs的輸出功率[30-32]。因此，在陽(yáng)極材料為碳?xì)謺r(shí)，SMM的降解率最高，MFCs的產(chǎn)電性能最好。此外，圖7b中，MFCs體系擴(kuò)散內(nèi)阻隨腐植酸濃度增加而增加，當(dāng)腐植酸濃度小于15 mg·L-1時(shí)，擴(kuò)散內(nèi)阻變化不明顯，當(dāng)腐植酸濃度從15 mg·L-1增加到60 mg·L-1時(shí)，MFCs擴(kuò)散內(nèi)阻明顯增加，這是因?yàn)楫?dāng)添加高濃度的腐植酸時(shí)，由于陽(yáng)極對(duì)腐植酸的吸附，導(dǎo)致MFCs的傳質(zhì)阻力增加[33]。此外，腐植酸可以作為一種電子穿梭體，使得微生物與胞外電子受體之間的電子傳遞速率加快[34]，促進(jìn)MFCs的氧化還原反應(yīng)，提高SMM的降解效率以及MFCs的產(chǎn)電性能。因此，腐植酸的添加利于SMM的降解及MFCs的產(chǎn)電；當(dāng)腐植酸濃度過(guò)高時(shí)，擴(kuò)散內(nèi)阻對(duì)MFCs陽(yáng)極性能的負(fù)面影響，會(huì)使SMM的降解效率及MFCs產(chǎn)電性能受電子穿梭體的正面影響減弱，這與Huang等[35]的研究結(jié)果一致。

本研究從微生物活性及MFCs內(nèi)阻變化方面對(duì)影響SMM降解及MFCs產(chǎn)電性能的因素進(jìn)行了探討，并發(fā)現(xiàn)以碳?xì)譃殛?yáng)極材料、S.putrefaciens為菌種條件下SMM的降解率及MFCs的產(chǎn)電性能最高，此外腐植酸的添加利于SMM的降解及MFCs的產(chǎn)電，為實(shí)現(xiàn)SMM的高效降解及MFCs產(chǎn)電性能的提高提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)于SMM降解與S.putrefaciens電子傳遞相互作用的機(jī)制，還有待深入研究。

4 結(jié)論

（1）MFCs運(yùn)行條件下對(duì)SMM的降解效率高于微生物純培養(yǎng)條件；以碳?xì)譃殛?yáng)極材料、S.putrefaciens為菌種條件下SMM的降解率及MFCs的產(chǎn)電性能最高；隨著SMM初始濃度的增加，SMM降解率逐漸減弱，MFCs的產(chǎn)電性能逐漸降低；隨著添加腐植酸濃度增加，SMM的降解率逐漸提高，MFCs的產(chǎn)電性能逐漸增強(qiáng)。

（2）MFCs陽(yáng)極性能影響SMM的降解效果。外源腐植酸濃度升高，MFCs陽(yáng)極逐漸受負(fù)面影響而使MFCs內(nèi)阻增大，從而導(dǎo)致SMM的降解效率逐漸降低。內(nèi)阻是影響MFCs產(chǎn)電性能的一個(gè)重要因素，內(nèi)阻增大，MFCs產(chǎn)電性能受電子穿梭體的正面影響變小。