電刺激微生物調控人工濕地中CH4和N2O氣體排放研究*

肖東彩 薛鴻普 梁楊楊

(1.銀川能源學院化學與生物工程學院,寧夏 銀川 750150;2.重慶大學環境與生態學院,重慶 400044;3.寧夏寶豐能源集團股份有限公司,寧夏 銀川 753200)

針對溫室氣體(GHGs,包括CO2、CH4及N2O)排放導致的全球變暖問題,我國提出“2030年前達到碳排放峰值、2060年前實現碳中和”的目標愿景[1-2]。現階段碳減排技術仍處于研發階段,想要大規模應用仍存在許多制約。因此,亟需尋找一個節能減排、協同增效的GHGs調控技術。

人工濕地(CW)耦合微生物燃料電池(MFC)是一種新型的低碳型污水處理技術,YADAV等[3]首次將MFC嵌入到CW,構建的CW-MFC系統既可以強化CW處理污水的效率,也能回收產生的電能。LIU等[4]通過生物電化學方法來控制CH4的排放,發現電力生成和CH4排放是同時發生的,這進一步說明電化學細菌和產甲烷菌是和諧共存的。

本實驗通過搭建新型升流式人工濕地(UCW)型MFC(UCW-MFC),選擇菖蒲為濕地植物并將其嵌入到MFC的陽極構建根際陽極UCW-MFC系統,研究微生物產電活動對濕地CH4排放通量和N2O排放通量的影響規律及作用機制,為GHGs調控提供新的思路。

1 實驗與方法

1.1 UCW-MFC的搭建與啟動

1.1.1 植物的選擇

植物(如美人蕉、燈心草、菖蒲、茭白、水蔥、蘆葦、水鬼蕉、再力花等)是CW系統的重要影響因素,本研究選取缺氧忍耐力強的根莖型濕地植物菖蒲種植于陽極層來構建系統。對購置的菖蒲根系進行清洗,使用人工配水馴化約一周并挑選生命力旺盛的植物進行實驗。

1.1.2 污泥的采集及馴化

生物陽極接種某污水處理廠厭氧段污泥,馴化期間,陰/陽極兩端接入自動電壓收集裝置并間歇啟動。

1.1.3 電極材料的選擇

考慮到生物的附著性能和快速收集電子的需求,選擇中間夾有不銹鋼絲網(SSM,絲徑2 mm,孔徑0.5 mm)的碳纖維氈(CAF)作為陽極材料。

1.1.4 裝置的搭建與啟動

反應主體裝置采用高55 cm、直徑15 cm的有機玻璃制成,采用高28 cm、直徑14 cm的靜態箱收集GHGs。如圖1所示,裝置底部留有錐形進水口,底部承托層高度為5 cm,中間層高度為10 cm,均填充礫石。生物陽極和空氣陰極層厚度約為3～4 cm,陰/陽極分別用鈦絲引出并連接一個1 000 Ω的外電阻形成通路。

圖1 UCW-MFC裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of UCW-MFC

1.2 實驗設計

菖蒲對GHGs排放的影響實驗中,水箱中人工配水成分:磷酸緩沖溶液5 mmol/L,葡萄糖 0.2 g/L,NH4Cl 0.20 g/L,KCl 0.13 g/L,NaHCO33.13 g/L。種植5株菖蒲(平均高度為48.92 cm)的系統作為實驗組(啟動成功時的電壓約為0.66 V),未種植菖蒲的系統作為對照組(啟動成功時的電壓約為0.38 V),實驗組同時考慮了開路、閉路對系統影響。

基質共代謝對GHGs排放的影響實驗中,各系統均種植5株菖蒲(平均高度為48.92 cm),均為閉路,水箱中人工配水成分:磷酸緩沖溶液5 mmol/L,NH4Cl 0.20 g/L,KCl 0.13 g/L,NaHCO33.13 g/L;葡萄糖質量濃度分別設為0、300、500 mg/L。

1.3 實驗測試方法

1.3.1 GHGs的收集與檢測

每日8:00—10:00采用靜態箱收集氣體,箱體內部設有采氣孔和風扇,以便收集和混合氣體。采用配有氫火焰離子化檢測器(HFID)和熱導檢測器(TCD)的氣相色譜儀(Agilent 6890B)來檢測CH4和N2O,其載氣為氮氣,色譜柱為Agilent HP-PLOT-Q柱(30 m×530 μm×40 μm)。

1.3.2 電壓及功率密度曲線的測定

采用萬用表(FLUKE 17B+)檢測閉合電壓和開路電壓。極化曲線及功率密度曲線使用變阻箱分別檢測9 000、8 000、7 000、6 000、5 000、4 000、3 000、2 000、1 000、800、500、100、50 Ω時的電壓,并計算功率密度。

1.3.3 微生物高通量測序

實驗選用V3～V4片段的細菌來擴增16S rRNA基因,其引物分別為338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)。實驗具體流程為陽極污泥宏基因組提取、功能區域細菌擴增、產物定量和混樣、文庫構建和文庫質檢與測序。樣品由上海某生物公司進行測序。

2 結果與分析

2.1 菖蒲對GHGs排放的影響

如圖2(a)所示,有菖蒲和無菖蒲的系統在閉路條件下CH4排放通量分別為(0.35±0.01)、(0.17±0.01) mg/(m2·h),N2O排放通量分別為(122.85±3.68)、(91.18±2.78) μg/(m2·h),顯然菖蒲加入提高了GHGs的排放。這可能是因為菖蒲自身存在通氣組織,根系周圍的氣體被莖部維管傳輸至大氣中;其次微生物易附著在菖蒲根系且在厭氧條件下利用極少量的腐殖質(纖維素)作為自身的營養物質,導致呼吸速率加快,產出更多的CH4和N2O。如圖2(b)可知,菖蒲對系統產電影響較大,有菖蒲和無菖蒲的系統最大功率密度分別為(1.62±0.05)、(0.76±0.06) W/m3,系統內阻分別為154.27、237.55 Ω,可見電化學細菌可利用菖蒲增加系統產電并降低其內阻以加速氧化還原反應的進行。

圖2 有無菖蒲對系統氣體排放通量和產電的影響Fig.2 Effect of calamus or non-calamus on gas emission flux and electricity generation in the system

UCW-MFC在開路下相當于CW,如圖2(a)所示,有菖蒲的系統CH4和N2O排放通量在開路條件下分別約為(0.47±0.02) mg/(m2·h)、(79.24±2.38) μg/(m2·h),相比閉路條件下,CH4排放通量增加約0.12 mg/(m2·h)。而陽極產生的電子在開路條件下不能傳輸至陰極,遏制還原產生N2O,N2O排放通量降低約43.61 μg/(m2·h)。系統開路下,陽極產甲烷菌的菌群豐富度多于產電菌,導致細菌呼吸作用產生更多CH4,這進一步驗證產電微生物和產甲烷微生物之間存在競爭且可以共存,而N2O被抑制是中斷電子傳遞導致的。

2.2 基質共代謝對GHGs排放的影響

共基質(根系腐殖質和外加葡萄糖)是影響系統產電和GHGs排放的重要因素。如圖3(a)所示,根系+0 mg/L葡萄糖、根系+300 mg/L葡萄糖和根系+500 mg/L葡萄糖的CH4排放通量分別為 (0.12±0.01)、(0.73±0.02)、(1.38±0.04) mg/(m2·h),N2O排放通量分別為0、(63.85±1.98)、(12.41±0.38) μg/(m2·h),可以看出,系統在高濃度基質共代謝下易產生CH4,主要原因是充足的COD刺激產酸菌產生乙酸等小分子有機物,進一步被產甲烷菌轉化為CH4[5]。相反,N2O排放通量隨著共基質濃度增大而降低,可能因為共基質濃度增加使得電化學細菌活性增加,刺激自身胞外電子的傳遞以加速反硝化反應的進行,進而減少N2O的積累和排放。本研究GHGs排放趨勢與文獻[6]的研究結果相似。系統中電化學細菌和產甲烷菌存在競爭狀態,產甲烷菌和電化學細菌均適合在較高COD的情況下生存和產電且CH4排放通量較高。

注:根系+300 mg/L是指種植菖蒲并外加300 mg/L葡萄糖,其余類推。根系+0 mg/L條件下N2O排放通量未檢測出。圖3 共基質對系統氣體排放通量和產電的影響Fig.3 Effects of comatrix on gas emission flux and electricity generation in the system

電刺激作用下,大量的產甲烷菌繁殖使得呼吸產生的CH4排放通量增加。如圖3(b)所示,根系+300 mg/L葡萄糖和根系+500 mg/L葡萄糖的最大功率密度分別為(1.52±0.04)、(2.01±0.06) W/m3,內阻分別為279.33、285.52 Ω,由此可知共基質濃度與產電、CH4排放通量正相關,并與N2O排放通量負相關。根系+0 mg/L葡萄糖時,系統最大功率密度為(0.67±0.03) W/m3,內阻為292.18 Ω,可能的原因是生物陽極的電化學細菌(如脫硫葉菌屬(Desulfobulbus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)等)利用菖蒲根系腐爛物(有機酸、聚合碳水化合物以及死細胞物質等)來供自身消耗并產電[7]。而表觀內阻在根系+0 mg/L葡萄糖下比根系+300 mg/L葡萄糖和根系+500 mg/L葡萄糖都要大,可能原因是微生物不能充分得到營養物質導致傳遞質子和產生電子的能力變弱。NI等[8]使用MFC處理豬場廢水,結果發現適宜COD濃度可有效增強系統產電,而高負荷COD抑制豬場廢水中污染物的降解,進一步研究發現充足的底物在生物陽極未降解完全,并游離到陰極消耗溶解氧使其形成一層好氧生物膜阻擋氧氣滲入到陰極。

2.3 微生物高通量測序結果分析

為進一步分析有無菖蒲及開閉路的系統微生物群落,對生物陽極共基質(根系+500 mg/L葡萄糖)進行屬水平微生物豐富度分析。如圖4所示,屬水平的物種豐富度表明,有菖蒲的系統在開路條件下,微生物包括不動桿菌屬(約78.77%)、變形菌屬(約0.31%)、厚壁菌屬(約0.56%)、假單胞菌屬(約0.42%)、硝化螺旋菌屬(約0.40%)、擬桿菌屬(約0.89%)、地桿菌屬(約0.09%)、甲烷絲狀菌屬(約3.29%)、類芽胞八疊球菌屬(約3.51%)及毛球菌屬(約0.25%)等。有菖蒲的系統在閉路條件下,微生物包括不動桿菌屬(約1.85%)、變形菌屬(約1.43%)、厚壁菌屬(約2.77%)、假單胞菌屬(約18.77%)、硝化螺旋菌屬(約3.41%)、擬桿菌屬(約7.68%)、地桿菌屬(約0.91%)、甲烷絲狀菌屬(約7.28%)、類芽胞八疊球菌屬(約0.10%)及毛球菌屬(約2.62%)等。而無菖蒲的系統在閉路條件下,微生物包括不動桿菌屬(約1.26%)、變形菌屬(約1.31%)、厚壁菌屬(約1.92%)、假單胞菌屬(約6.16%)、硝化螺旋菌屬(約2.34%)、擬桿菌屬(約7.79%)、地桿菌屬(約1.73%)、甲烷絲狀菌屬(約6.94%)、類芽胞八疊球菌屬(約3.91%)及毛球菌屬(約0.45%)等。其中電化學細菌有變形菌屬[9]、厚壁菌屬[10]、不動桿菌屬[11]、擬桿菌屬[12]及地桿菌屬[13]等,產甲烷菌有甲烷絲狀菌屬[14],反硝化細菌有硝化螺旋菌屬[15]。實驗條件改變會使微生物群落發生變化,最終使系統產電電壓及GHGs排放通量發生改變。

注:Acinetobacter為不動桿菌屬,Methanothrix為甲烷絲狀菌屬,Bacteroidetes為擬桿菌屬,Paenisporosarcina為類芽胞八疊球菌屬,Nitrospira為硝化螺旋菌屬,Exiguobacterium為微小桿菌屬,Firmicutes為厚壁菌屬,Trichococcus為毛球菌屬,Mycobacterium為分枝桿菌屬,Planomicrobium為游動球菌屬,Proteobacteria為變形菌屬,Smithella為史密斯氏菌屬,Geobacter為地桿菌屬,Hyphomicrobium為生絲微菌屬,Candidatus為假絲酵母菌屬。圖4 屬水平微生物豐富度Fig.4 Microbial abundance at genus level

不同系統共基質(根系+500 mg/L葡萄糖)條件下的物種多樣性指標見表1,閉路條件下的有菖蒲系統,其Chao1、Shannon及Simpson指數都優于開路條件下的有菖蒲系統和閉路條件下的無菖蒲系統,說明系統閉合及菖蒲存在更有助于電化學細菌產生電子,也豐富了陽極的物種豐富度。

表1 多樣性指數Table 1 Diversity index

3 GHGs排放的機制分析

CH4排放分為發酵階段、產酸階段和產氣階段,在厭氧發酵中,產酸菌將大分子有機物降解為小分子有機物,并通過產甲烷菌和(反)硝化細菌轉化為GHGs,當然系統的陰極也會產生CH4,這是因為陽極產生質子(H+)傳輸至陰極發生還原反應形成H2,陰極在好氧條件下產生CH4[16]。文獻[17]報道,沼澤濕地或者稻田地采用同位素示蹤法追蹤CH4足跡,結果發現共基質陽極發酵產生小分子有機物(CH3COOH、HCOOH、CH3OH)生成的CH4約占70%,而空氣陰極還原(CO2)產生的CH4僅占30%。

N2O的產生較為復雜,分為硝化階段和反硝化階段。硝化反應是在好氧狀態下進行的,首先在好氧狀態下發生氨氧化反應繼而發生硝化反應。MILOSLAV等[18]通過實驗發現反硝化作用在厭氧條件下發生,而N2O主要是反硝化細菌在厭氧下產生的。ULRIKE等[19]通過研究發現,反硝化細菌產生的N2O不是最終產物,這是因為濕地表面的浮水層阻擋氧氣進入內部進一步會加速反硝化反應的進行并導致反硝化的最終產物是N2而不是N2O。

如圖5所示,電信號刺激下微生物豐富度增加,導致對有機質的生物降解加快,并直接刺激電化學細菌在陽極的積累,從而加速陽極厭氧降解的過程,提高了系統氧化還原的能力。為深入探討根系+500 mg/L葡萄糖條件下C、N元素對菖蒲生長的影響,測量菖蒲的高度及C含量。如表2所示,結果表明少量C、N養分被菖蒲吸收以供自身生長,實驗后菖蒲高度增加13.42 cm,菖蒲的通氣組織會儲存微量的營養元素。

表2 系統運行前后菖蒲的變化特征Table 2 Change characteristics of calamus before and after operation

注:共基質是指根系+500 mg/L葡萄糖。圖5 共基質生物陽極表面微生物掃描電鏡圖Fig.5 Bio-anode scanning electron microscope images

4 結 語

(1) 有菖蒲的系統在閉路條件下CH4排放通量為(0.35±0.01) mg/(m2·h),最大功率密度為(1.62±0.05) W/m3;開路的系統不適合調節GHGs,CH4排放通量增加0.12 mg/(m2·h),N2O排放通量降低43.61 μg/(m2·h)。共基質濃度增加會加大CH4排放通量,降低N2O排放通量。

(2) 甲烷絲狀菌屬和硝化螺旋菌屬是產生CH4和N2O的主要微生物且在系統中和電化學細菌之間存在競爭關系。

(3) MFC嵌入到CW為控制GHGs的排放提供了綠色思路。