沉积型微生物燃料电池对污染底泥中重金属Cr(Ⅵ)去除的研究

马彦涛，杜征宇，王 旭，黄种买

（1. 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2. 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079）

近几十年来，河流水体受到的污染越来越严重[1]，逐渐威胁到我们的生活，而底泥作为河流水体中污染物最大的“汇”与最大的“源”，其危害巨大。美国的大湖地区、德国的汉堡港、莱茵河流域以及荷兰的阿姆斯特丹港口等地区的底泥中含有大量的污染物，对环境造成严重污染[2]，并且该污染为二次污染，不仅威胁水体中的植物和动物，甚至会危害人类健康[2−4]。随着国家对水体污染的治理越来越重视，河流水体环境得到改善，但底泥中大量的污染物仍是一个巨大的隐患[5]。现阶段有越来越多针对河流底泥污染物治理的措施与方法，如传统底泥污染治理方法中的物理方法、化学方法及生物生态方法等，这些方法有一定的适用性，但成本较高。考虑到目前能源危机不断凸显，更加节能、有效、适用的治理方法成为底泥污染治理的研究热点。

沉积型微生物燃料电池（SMFC）是将阳极置于厌氧的底泥中，阴极悬在底泥上方的好氧水体中，通过阳极表面微生物的代谢作用，使得底泥中的有机物发生厌氧降解，产生电子和质子，电子通过外接导线传递给阴极附近水体中的氧化性物质。同时，产生的质子通过底泥和上覆水体传递到阴极，阴极附近的氧化性污染物得到电子后会与质子反应，从而有效去除底泥及上覆水体中污染物。由于阴阳极之间形成了闭合回路，因此SMFC 还可以产生电能用于其他方面，节约成本[6−8]。

SMFC 作为近十几年发展的技术，特殊的结构使其在河流湖泊底泥原位修复上有较大的潜力。Han et al 用SMFC 实现了上覆水体中硝酸盐和Cr(Ⅵ)的同步去除[9]用SMFC 实现了上覆水体中硝酸盐和Cr(Ⅵ)的同步去除。目前的研究还集中在利用SMFC 去除各类重金属，关于优化SMFC 参数去除Cr(Ⅵ)的研究内容较少。基于此，本文通过探讨盐酸预处理后的SMFC 在不同阴极材料、不同外接电阻下对Cr(Ⅵ)去除的影响，以期望得到底泥中Cr(Ⅵ)的去除机制。

1 材料与方法

1.1 实验材料、试剂及仪器设备

实验材料：PAN 基碳毡、碳刷、电阻、污泥（取自武汉东湖底泥）等。

试剂：盐酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、氯化铵、重铬酸钾等。

主要仪器：电化学工作站（CHI604e）；数据采集仪（2700）；生化培养箱（SPX-250BⅢ）；原子吸收光谱仪（contrAA700）；X 射线电子能谱仪（ESCALAB 250Xi）；扫描式电子显微镜（QUANTA）。

1.2 实验装置的搭建

将钛丝来回穿插所需要的碳材料，用ABS 塑料棒固定好阴阳极，使得阳极在下方，阴极在上方，阳极与ABS 塑料棒近端的距离为1 cm，将阴阳极之间的间距设为6 cm，中间接入1 000 Ω 电阻。将制作好的SMFC 骨架放置到1 L 烧杯中，加入底泥和PBS 缓冲液，使SMFC 的阳极被底泥完全淹没，构建厌氧环境，其中底泥厚度为4 cm，缓冲液液面距烧杯上沿1 cm。

1.3 实验方法

实验首先利用盐酸对碳毡、碳刷预处理。盐酸处理可显著提高碳毡、碳刷表面的N 含量、比表面积、孔径体积以及输出功率，减少启动时间[10]。

本实验设置6 组对照，见表1。

表1 对照试验各参数

碳毡直径为7.5 cm，厚度为0.5 cm，碳刷长度为3 cm，半径1.5 cm。鉴于所取的东湖底泥Cr 含量较低，加入140 mg Cr/（kg 干污泥）重铬酸钾溶液，搅拌均匀后放置一天，测得底泥中Cr 的含量为182.4 mg Cr/（kg 干污泥）。将处理后东湖底泥与PBS 缓冲液加入烧杯中，PBS 缓冲液的成分为11.55 g/L Na2HPO4·12H2O， 2.77 g/L NaH2PO4·2H2O，0.31 g/L NH4Cl，0.13 g/L KCl。将组装好的SMFC 装置置于25 ℃的恒温培养箱中运行60 d，每天加入纯水以补偿蒸发的水量。在SMFC 启动过程中，3、4、5、6 组所接电阻均为1 000 Ω，待SMFC 启动后，再将5、6 组外接电阻换成100 Ω。

1.4 实验测定项目及方法

SMFC 运行中输出电压以标准Ag/AgCl 电极为参比采用keithley2700 实时监测；各电极电势采用电化学工作站CHI604e 监测；底泥与上覆水体总铬浓度分别采用国家环境保护标准HJ 491—2009、HJ 757—2015 中方法测定。

极化曲线获取方法：将SMFC 开路5 h，使外接电阻依次为开路状态，2 000、1 000 、500、200、100、50 和20 Ω，每种电阻保持30 min 后测得电阻两端电压，依据所接电阻大小，测得电流密度和功率密度，得到极化曲线和功率密度曲线[11−12]。

取SMFC 一部分阳极材料经脱水后进行扫描电镜能谱分析；利用X 射线电子能谱仪测定阴极上Cr 的价态；底泥有机质采用烧失量测定，见式（1）：式中：LOI为烧失量，%；cw105为底泥在105 ℃下烘干并冷却至室温后的恒重，g；cw550为底泥在550oC下煅烧后冷却至室温的恒重，g。

微生物群落分析方法：取SMFC 部分阳极材料， 用 MIO-BIO PowerSoil DNA Isolation Kit（MOBIO Laboratories, Carlsbad, CA, USA）进行DNA 抽提。选择特异引物序列为细菌16S rRNA上V4-V5 区 域 的515F（5′-GTGCCAGCMGCCG CGGTAA-3 ′ ） 和926R （ 5 ′-CCGTCAATTCMTTT GAGTTT-3′）[13−15]。采用两步PCR 扩增的方法构建文库。待二次PCR 扩增后，将PCR 扩增产物于2%琼脂糖凝胶电泳切胶回收。回收采用AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒（AXYGEN），回收产物在FTC-3000TM real-time PCR 仪上进行定量，均一化混匀后文库制备结束。

2 结果与讨论

2.1 SMFC 的启动与输出电压分布

3-6 号SMFC 在第32 d 均启动，各阳极电势稳定在−0.35 V 以下。其中4 号阴极电势较低，位于−0.15 V 左右，其他SMFC 的阴极电势稳定在0.1 V左右，见图1。SMFC 电能的输出会受限于阴极电势[16]，从而使4 号SMFC 输出电压较低，见图2。

图1 各SMFC 启动期间阴阳极电势分布

图2 各SMFC 输出电压分布

观察各SMFC 在整个运行期间输出电压分布情况，待SMFC 启动后，3 号与6 号SMFC 的输出电压均稳定在0.4 V 以上，5 号SMFC 的输出电压稳定在0.5 V 左右，4 号SMFC 的输出电压则稳定在0.3V 左右，这是由于其阴极电势较低导致。在第34 d 将5 号与6 号SMFC 的外接电阻从1 000 Ω换成100 Ω，其输出电压快速下降，最后稳定在0.05 V 左右。

2.2 极化曲线和功率密度曲线的变化

在第32 d 测定各个SMFC 的极化曲线，此时各个SMFC 均已启动，外阻为1000 Ω，可通过比较各个SMFC 的极化曲线，来反映其电化学性能的优劣。各SMFC 开路电压均分布在0.8 V 左右，其中4 号SMFC 的电压随电流密度增加时下降较快，导致其输出功率密度较小。6 号SMFC 的输出功率密度最大，其最大输出功率密度为34 mW/m2，其次是3 号SMFC，最大输出功率密度为32 mW/m2。4 号由于启动时阴极电势较低，整体电化学性能较差。对比6 号、3 号与5 号SMFC，6 号SMFC 的最大输出功率密度最大，但差距较小，这可能是因为电极经盐酸处理，各个SMFC 电化学性能得到一定提升，使阴极材料不同带来的差距减小，见图3。

图3 各SMFC 极化曲线和功率密度曲线

2.3 重金属Cr 的浓度变化

SMFC 上覆水体为PBS 缓冲液，初始不含重金属Cr，经实验后上覆水体中Cr 浓度均小于15 μg/L，浓度变化较小，故本文不考虑上覆水体中Cr 浓度。

经SMFC 作用后，底泥中Cr 的浓度均出现不同程度的下降，见图4。

图4 底泥中重金属Cr 浓度变化

图4 可知，4 号SMFC 中Cr 的去除率最大为27.4%，1 号SMCF 中Cr 去除率最低，为2.1%。对比不同阴极材料的SMFC 重金属Cr 的去除率，可知阴极为碳刷的SMFC 更有利于Cr 的去除。这是因为碳刷中碳纤维束比较分散，导致其比表面积大，更有利微生物的生长繁殖，从而利于Cr 的去除[16]。对比3 号与5 号以及4 号与6 号SMFC 中Cr 的去除率，发现采用相同的阴阳极材料时，外电阻为1000 Ω 相对于100 Ω 更有利于Cr 的去除，这可能是因为SMFC 在外接电阻为1000 Ω 时的输出电压大于外接电阻为100 Ω 时的输出电压，从而驱动更多的Cr 从阳极迁移到阴极上，进而被去除。4 号SMFC 中重金属Cr 的去除率最高，但其电化学性能最差，说明SMFC 是一个复杂的系统，需要更深层次的研究。

2.4 阳极EDS 分析和阴极XPS 分析

SMFC 阳极上C、O、Al、Si、Au 元素含量较高，见图5。

图5 各SMFC 阳极扫描电镜能谱图

C、O 元素来自碳毡；Al、Si 元素来自附着于碳毡的底泥；Au 元素来自扫描电镜能谱分析前镀金；Cr 含量较少，这部分Cr 可能是电极材料对底泥中Cr 的吸附所产生的，相较于底泥中Cr 含量，电极材料吸附的量可以忽略不计，表明Cr 的去除不发生在阳极上。

对SMFC 阴极进行X 射线能谱分析，观察Cr 的价态，判断Cr 的去除机制，见图6。

图6 各SMFC 阴极X 射线能谱

结合能为576.9 eV 与579 eV 处的峰分别为Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的典型峰[17]。3-6 号SMFC 的X 射线能谱图上均可观察到Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ) 的典型峰，表明4 个SMFC 阴极上同时存在Cr(Ⅵ) 与Cr(Ⅲ)。基于此，底泥中的Cr(Ⅵ)从阳极迁移到阴极后接受电子从而被还原成Cr(Ⅲ)，Cr(Ⅲ)易沉淀进而被去除[17]。

2.5 底泥烧失量和DO 的变化

通过底泥烧失量的变化情况可反映底泥中有机质的消耗情况，见图7。

图7 底泥烧失量变化

实验前底泥烧失量为7.26%，经处理后，各底泥中烧失量均有所下降，表明底泥中有机质被消耗。分别对比3 号与5 号、4 号与6 号SMFC 中底泥有机质去除率，发现外接电阻为1000 Ω 时SMFC 底泥有机质去除量较多，这与一些研究的结论相悖[18−20]，具体原因需进一步研究。将闭路与开路的SMFC 中底泥有机质去除率进行对比，发现在SMFC 中形成闭路，更有利于阳极有机质的消耗，这是由于闭路发生电子传递转移。

2.6 微生物群落分析

SMFC 阳极生物膜中变形菌门含量（Proteobacteria）超过30%、绿弯菌门（Chloroflexi）约20%，两者含量最多，见图8。将1 号与其他SMFC 对比，发现连有外阻的SMFC 阳极上变形菌门的含量增多，这是由于闭路的SMFC 能够产电，有利于此类产电菌繁殖。从纲水平对变形菌门进行 细 分， 发 现1 号SMFC 上Y- 变 形 菌 纲（Gammaproteobacteria）含量最多，为12.3%，其次是δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria），为12.0%。在3-6 号SMFC 上δ-变 形 菌 纲 含 量 最 高，分 别为15.5%、13.5%、18.0%以及22.3%，一些研究认为δ-变形rong 菌纲为SMFC 阳极上的优势菌[21−22]，这与文章结果一致，表明阳极上优势产电菌的生长繁殖有利于SMFC 稳定运行。3 号与4 号，5 号与6 号SMFC 对比结果表明不同阴极材料不会显著影响阳极上微生物的群落分布。对比3 号与5 号，4 号与6 号SMFC，观察到外电阻的不同对阳极上微生物的群落分布影响较小，这可能是由于启动期间外接电阻相同，启动后各SMFC 阳极上的微生物群落趋于稳定，更换电阻对阳极微生物群落的影响较小。

图8 基于门水平与纲水平的阳极微生物群落分布

对阴极生物膜上的微生物群落进行分析，见图9。

图9 基于门水平的阴极微生物群落分布

基于门水平上分析，各个样品中变形菌门（Proteobacteria）含量最多，分别为51.1%、49.5%、46.4%、68.7% 与44.7% 。 其 次 为 拟 杆 菌 门（Bacteroidetes），分 别 为11.1%、13.4%、37.2%、16.0%与13.2%，这与安众一[23]研究结果相似。本实验中Cr 的去除率较低可能与阴极生物膜上厚壁菌门（Firmicutes）含量较低有关，说明厚壁菌门（Firmicutes）等与Cr(Ⅵ)还原相关的菌类含量越高越有利于阴极上Cr(Ⅵ)的还原[24]。

3 结论

（1）底泥中的Cr(Ⅵ) 主要是在阴极上被去除，阳极材料会对底泥中的Cr(Ⅵ)产生吸附作用，但吸附量较小。

（2）碳刷相较碳毡更有利于Cr(Ⅵ)的去除。外接电阻为1 000 Ω 时，整个SMFC 的输出电压较高，相较于外接电阻为100 Ω 时，可产生更大的电驱动力，驱使更多的Cr(Ⅵ)从底泥中迁移到上覆水体中，有利于Cr(Ⅵ)的去除。

（3）SMFC 在阴极去除Cr(Ⅵ)的同时可在阳极去除底泥中的有机质。外接电阻为1 000 Ω 时，SMFC 可去除底泥中更多的有机质。

（4）SMFC 阳极生物膜上部分产电菌含量较高，利于SMFC 稳定运行。阴极区域由于营养物质缺乏，导致阴极微生物膜上部分与Cr(Ⅵ)还原相关的菌类，如厚壁菌门（Firmicutes）含量较低，不利于Cr(Ⅵ)的还原，使阳极底泥中Cr(Ⅵ)去除率较低。