環(huán)境生物技術(shù)

1、2015 年 春 季學(xué)期研究生課程考核（讀書報(bào)告、研究報(bào)告）考核科目: 環(huán)境生物技術(shù) 學(xué)生所在院（系）: 市政環(huán)境工程學(xué)院學(xué)生所在學(xué)科: 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué) 生 姓 名: 陳玲波(14S027122)、馬珊珊(14S027117)靳敏(14S027120)、李碩(14S027121)學(xué) 生 類 別: 碩士考核結(jié)果閱卷人 第 1 頁 （共 9 頁）濕地植物構(gòu)建植物沉積型微生物燃料電池1. 研究背景工業(yè)革命以來，化石燃料支撐著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，然而毫無疑問，化石燃料難以維持整個(gè)世界的經(jīng)濟(jì)。石油預(yù)計(jì)將在未來的100年或更久后枯竭。但是，在未來的10-20年內(nèi)，石油的需求量將超過石油的產(chǎn)出量。全球?qū)⒚媾R

2、嚴(yán)峻的能源短缺問題1。能源短缺和環(huán)境污染是21世紀(jì)人類面臨的兩大難題。我國濕地污染日益嚴(yán)重，河流中不能被降解的污染物則沉積到底泥，造成濕地污染嚴(yán)重。主要污染物包括：1）重金屬：主要包括汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重元素。重金屬有能被生物吸收利用或?qū)ι锂a(chǎn)生毒性效應(yīng)的性狀，可用間接的毒性數(shù)據(jù)或生物體濃度數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)。濕地中的重金屬與不同載體相結(jié)合，以多種形態(tài)存在，大致有可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和金屬殘片等。不同形態(tài)的重金屬具有不同的生物有效性2。Stone 和 Droppo 3研究了加拿大安大略省河流沉積物中重金屬的分布時(shí)發(fā)現(xiàn)，在各徑粒范圍內(nèi)的沉積物中，

3、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)都是Zn、Pb 等重金屬的主要存在形態(tài)。重金屬通過吸附、絡(luò)合、沉淀等作用而沉積到底泥中，同時(shí)與水相保持一定的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，重金屬極易再次進(jìn)入水體，成為二次污染源。2）持久性有機(jī)污染物：持久性有機(jī)污染物是一類具有毒性、持久性、生物蓄積性和半揮發(fā)性，且能在大氣環(huán)境中長距離遷移并沉積回地表環(huán)境，對(duì)人類健康和環(huán)境造成嚴(yán)重危害的有機(jī)污染物4，如日常應(yīng)用中的滴滴涕、滅蟻靈等有機(jī)氯農(nóng)藥，PAH（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，多環(huán)芳烴）和PCBs（polychlorinated biphenyls，多氯聯(lián)苯）等有機(jī)物。其中 PAH 存在煤和石油

4、的燃燒、以及煉油廠、煤焦油加工廠和瀝青加工廠等排出的廢氣和廢水中。PCBs 則被用于變壓器和電容器、熱交換器和水力系統(tǒng)、無碳復(fù)印紙、工業(yè)用油、油漆、添加劑、塑料、阻燃劑等。由于疏水性強(qiáng)、難降解，在濕地中大量積累。通過生物富集作用，有毒有機(jī)物可以在生物體內(nèi)達(dá)到較高的水平，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的毒害作用，通過食物鏈還可能危害到人類5。底泥中的 POPs 類污染物能通過生物富集作用在生物體內(nèi)達(dá)到較高的濃度，從而對(duì)生物體產(chǎn)生較強(qiáng)的毒害作用。這些污染物還能夠通過水-泥界面的遷移轉(zhuǎn)化作用重新進(jìn)入水體，并通過復(fù)雜的污染生態(tài)化學(xué)過程，即在氣-水-生物-底泥等多介質(zhì)環(huán)境體系中的遷移、轉(zhuǎn)化和暴露，在人和動(dòng)物體內(nèi)大量累積，

5、影響人和動(dòng)物的生殖系統(tǒng)健康，從而對(duì)人類未來的生存發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在人類活動(dòng)干擾較小的湖泊中，沉積物有機(jī)物以內(nèi)源輸入為主。天然湖泊沉積物中內(nèi)源輸入的有機(jī)物占沉積物總有機(jī)質(zhì)的90%以上4。 可再生的生物質(zhì)能由于不會(huì)增加二氧化碳的凈排放量而被認(rèn)識(shí)是減緩當(dāng)前能源與環(huán)境危機(jī)的途徑之一。微生物燃料電池(MFC)是一種可以利用微生物的催化作用通過氧化有機(jī)及無機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生電能的裝置。它是一種利用廢水或者其它廢棄物產(chǎn)生電能的新技術(shù)，具有極大的研究價(jià)值和發(fā)展空間。沉積物微生物燃料電池(SMFC)是MFC的一種特殊形式,在水底環(huán)境中運(yùn)行，是一種典型的無膜微生物燃料電池。由埋在厭氧底泥中的陽極和懸于好氧水體中的陰極組

6、成，利用污泥的沉降性，將陰陽極兩區(qū)域自然分離。其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。微生物通過代謝作用氧化沉積物中的有機(jī)物產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子從微生物傳遞至陽極并通過導(dǎo)線傳遞到陰極，質(zhì)子通過泥水界面到達(dá)陰極與陰極區(qū)中的溶解氧和從導(dǎo)線傳遞到的電子結(jié)合生成水，從而將有底泥中的機(jī)污染物去除和能量回收同步完成。一般情況下，加入電子受體或電子供體支持微生物的呼吸可以促進(jìn)有毒污染物的生物降解6。電極可以作為電子受體支持微生物呼吸，達(dá)到降解污染物的目的。另外利用電極作為電子供體支持微生物有毒污染物的還原，例如在鈾的污染中，U6+可以從電極上獲得微生物產(chǎn)生的電子而還原成為U4+，附著在陰極表面而去除7。MFC生物修復(fù)技術(shù)也可

7、以進(jìn)行地下水的修復(fù)，其陽極為能夠長時(shí)間提供能量的顆粒底物（如幾丁質(zhì)），同時(shí)獲得電能。細(xì)菌通過介體或納米導(dǎo)線將電子供給陽極，但電子的轉(zhuǎn)移是可逆的，即細(xì)菌能從電極接受電子，使其成為生物陰極。Gregory等人6在完全厭氧的系統(tǒng)中，使用純培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的Goobacte：實(shí)現(xiàn)了用生物陰極進(jìn)行原位硝酸鹽的生物修復(fù)。當(dāng)存在高濃度的可生物降解的有機(jī)物時(shí)，也可進(jìn)行陽極氧化修復(fù)。例如，在一個(gè)被石油污染的地方，用粒狀石墨作陽極，化學(xué)物質(zhì)在陽極被氧化，提供電流到陰極，在陰極，氧氣作為電子受體。Jin等人8使用MFC修復(fù)被石油污染的地下水，產(chǎn)生了持續(xù)的高達(dá)120mW/m2陰極的功率密度。與自然降解速率相比，石油化合

8、物的降解速率明顯提高了。研究較多的植物型微生物燃料電池包括以低等水生植物如綠藻 ( Chlorophyta) 、藍(lán)藻 ( Cya-nobacteria) 等浮游植物構(gòu)建的電池和大型水生能源植物如水稻( Oryza sativa) 、鳳眼蓮( Eichhornia cras-sipes) 、蘆葦( Phragmites australis) 及甜茅屬( Glycer-ia) 等與 MFC 耦合的電池2研究內(nèi)容2.1 試驗(yàn)植物及培養(yǎng)基 粉黛萬年青為天南星科花葉萬年青粉黛萬年青屬，多年生常綠草本植物。小白掌為天南星科苞葉芋屬，花期長達(dá)春、夏、秋3 季，但以春、夏最盛。金邊富貴竹為龍舌蘭科龍血樹屬，呈

9、灌木狀。鵝掌柴為五加科鵝掌柴屬，灌木。 電池運(yùn)行時(shí)所用植物培養(yǎng)基為1/2 改良霍格蘭氏培養(yǎng)液加10 mmol/L 磷酸鹽緩沖液， 具體配方：四水硝酸鈣472.5 mg/L，硝酸鉀253 mg/L，磷酸銨40 mg/L，磷酸二氫鉀68 mg/L，硫酸鎂246.5mg/L，鐵鹽溶液（七水硫酸亞鐵5 560 mg/L，乙二胺四乙酸二鈉7 460 mg/L）1.25 mL，一水磷酸二氫鈉490.4 mg/L，磷酸氫二鈉915.2 mg/L，pH=7.0。2.2 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件 試驗(yàn)裝置如圖所示：下層泥土區(qū)（高度：9.3cm） 為陽極厭氧區(qū)域， 陽極電極（石墨氈，146.4cm2）呈圈式包圍植物根系

10、并埋于土壤中，上層水相（高度：2.4 cm）為陰極好氧區(qū)域，陰極電極（石墨氈，151.6 cm2） 懸浮于好氧水面， 陰陽極由導(dǎo)線連接，外電阻為1 000 ，每個(gè)電池所需水溶液體積為550 mL。試驗(yàn)所選植物栽種于陽極土壤中，植物莖葉穿過陰極電極伸展于水面上。Plant-SMFC 構(gòu)建好后，將其放置于室溫（205 ）下運(yùn)行，光照強(qiáng)度為2 000 lux，光暗周期10h14 h。電池運(yùn)行過程中每隔1 d 補(bǔ)充蒸餾水至原水位處，以防止正常的水氣蒸發(fā)流失。2.3 分析方法及主要設(shè)備 電壓（U）由Keithley 2700 數(shù)據(jù)采集器(美國Keithley 儀器公司)每隔10 min 自動(dòng)采集和保存。

11、功率密度（P） 為基于陽極面積的功率，P=UI/A（A為陽極有效面積，電流I=U/R，R 為試驗(yàn)所設(shè)外電阻）。當(dāng)SMFC 運(yùn)行穩(wěn)定后，采用穩(wěn)態(tài)放電法測(cè)試電池的表觀內(nèi)阻。 陰陽極電極電位測(cè)定： 以Ag/AgCl 電極作為參比電極，用萬用表測(cè)陰陽極電極電位。 陰極氧還原活性檢測(cè)：使用CHI660D 電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）進(jìn)行線性掃描伏安（linear sweep voltammetry，LSV）測(cè)試，采用三電極體系，Ag/AgCl 電極為參比電極，需檢測(cè)陰極樣品為工作電極，鉑電極為對(duì)電極（工作電極與對(duì)電極工作面積均為1 cm2）， 新鮮配制50 mmol/L 的P-buffer （磷

12、酸二氫鈉：2.452 g/L； 磷酸氫二鈉：4.576 g/L）并曝氣30 min 作為電解液，將三電極體系放入電解液中， 使用電化學(xué)工作站從開路電壓掃至-0.3 V，掃描速率為10 mV/s。 根系分泌物分析： 取一株植物根系用自來水洗凈， 再用去離子水沖洗3 遍， 將植物根系放入50 mL 滅菌去離子水中光照培養(yǎng)4 h 后取出植株，立即向收集液中添加羧芐青霉素、四環(huán)素、氯霉素、卡那霉素各10 mg/L，以防止微生物對(duì)根分泌物的分解。將溶液（置于-20 冰箱保存）用真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在40 下濃縮至5 mL，過濾（0.45 m濾膜）后，在島津高效液相色譜儀（LC-20AT，色譜柱：SC1011）

13、上測(cè)定有機(jī)酸的種類和數(shù)量。2.4 試驗(yàn)內(nèi)容 以4 種不同的濕地植物粉黛萬年青、小白掌、金邊富貴竹、鵝掌柴構(gòu)建植物沉積型微生物燃料電池（Plant-SMFC），不種植物的空白沉積型微生物燃料電池（SMFC）作為對(duì)照，對(duì)各個(gè)電池組的產(chǎn)電能力及陰陽極電極電位進(jìn)行分析， 利用LSV 鑒定生物陰極的形成， 最后通過HPLC 對(duì)不同植物根系分泌物中有機(jī)酸的種類和含量進(jìn)行分析， 以此來說明各電池產(chǎn)電差異， 從而選出適合構(gòu)建Plant-SMFC 并能顯著提高其產(chǎn)電性能的濕地植物。3創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)1）目前國內(nèi)外 Plant-SMFC 的研究均處于起步階段，植物類型對(duì)構(gòu)建高效 Plant-SMFC 的影響研究尚

14、不清楚， 特別缺少不同植物類型根系分泌物如何影響 Plant-SMFC 的產(chǎn)電機(jī)制分析；2）考察4 種不同濕地植物構(gòu)建Plant-SMFC對(duì)電池產(chǎn)電基礎(chǔ)特性的影響，并從根系分泌物的角度分析其影響機(jī)理，可為Plant-SMFC 的實(shí)用化奠定理論依據(jù)；3）利用 HPLC 分析了不同植物根系分泌物中有機(jī)酸的種類及含量，分析研究根系分泌有機(jī)酸的種類及含量與產(chǎn)電水平的關(guān)系；PMFC 相比一般的太陽能電池不僅能產(chǎn)電，還能產(chǎn)生大范圍的燃料物質(zhì)，而且不需昂貴的材料來構(gòu)造電池，成本相對(duì)較低; PMFC 增加了 MFC 系統(tǒng)的生物多樣性，且具有美學(xué)價(jià)值; 系統(tǒng)能夠自我修復(fù)，生命周期長且維修費(fèi)用更低，以微生物作為催

15、化劑使得其可廣泛用于自然環(huán)境中且沒有污染的風(fēng)險(xiǎn)。PMFC 是將電化學(xué)方法融入到生態(tài)系統(tǒng)中的新能源技術(shù)，因此除了深入研究提高 MFC 的產(chǎn)電問題，重點(diǎn)在于如何保持微生態(tài)系統(tǒng)中各成分之間的平衡，并使其功能最大化，建議深入研究以下幾個(gè)方面: 有關(guān)影響 MFC 性能因素的研究，如電極材料的優(yōu)化、燃料電池的結(jié)構(gòu)、傳遞體及其他環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)電效率及產(chǎn)電量的影響，并應(yīng)用到 PMFC 中; ( 植物、微生物及基質(zhì)的篩選; 根際微環(huán)境中各成分之間的相互作用。4研究方法和技術(shù)路線對(duì)照組SMFC實(shí)驗(yàn)組SMFC文獻(xiàn)查閱萬年青小白掌富貴竹鵝掌柴萬年青小白掌富貴竹鵝掌柴產(chǎn)電能力生物陰極有機(jī)酸分析產(chǎn)電能力生物陰極有機(jī)酸分析構(gòu)

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