環(huán)境生物技術(shù)

1、2015 年 春 季學期研究生課程考核（讀書報告、研究報告）考核科目: 環(huán)境生物技術(shù) 學生所在院（系）: 市政環(huán)境工程學院學生所在學科: 環(huán)境科學與工程學 生 姓 名: 陳玲波(14S027122)、馬珊珊(14S027117)靳敏(14S027120)、李碩(14S027121)學 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)濟的發(fā)展，然而毫無疑問，化石燃料難以維持整個世界的經(jīng)濟。石油預計將在未來的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、嚴峻的能源短缺問題1。能源短缺和環(huán)境污染是21世紀人類面臨的兩大難題。我國濕地污染日益嚴重，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)來評價。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發(fā)現(xiàn)，在各徑粒范圍內(nèi)的沉積物中，

3、有機質(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，同時與水相保持一定的動態(tài)平衡。當環(huán)境條件發(fā)生變化時，重金屬極易再次進入水體，成為二次污染源。2）持久性有機污染物：持久性有機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，對人類健康和環(huán)境造成嚴重危害的有機污染物4，如日常應(yīng)用中的滴滴涕、滅蟻靈等有機氯農(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)、無碳復印紙、工業(yè)用油、油漆、添加劑、塑料、阻燃劑等。由于疏水性強、難降解，在濕地中大量積累。通過生物富集作用，有毒有機物可以在生物體內(nèi)達到較高的水平，從而產(chǎn)生較強的毒害作用，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)達到較高的濃度，從而對生物體產(chǎn)生較強的毒害作用。這些污染物還能夠通過水-泥界面的遷移轉(zhuǎn)化作用重新進入水體，并通過復雜的污染生態(tài)化學過程，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，在人和動物體內(nèi)大量累積，

5、影響人和動物的生殖系統(tǒng)健康，從而對人類未來的生存發(fā)展構(gòu)成嚴重威脅。在人類活動干擾較小的湖泊中，沉積物有機物以內(nèi)源輸入為主。天然湖泊沉積物中內(nèi)源輸入的有機物占沉積物總有機質(zhì)的90%以上4。 可再生的生物質(zhì)能由于不會增加二氧化碳的凈排放量而被認識是減緩當前能源與環(huán)境危機的途徑之一。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及無機物質(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線傳遞到陰極，質(zhì)子通過泥水界面到達陰極與陰極區(qū)中的溶解氧和從導線傳遞到的電子結(jié)合生成水，從而將有底泥中的機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生物修復技術(shù)也可

7、以進行地下水的修復，其陽極為能夠長時間提供能量的顆粒底物（如幾丁質(zhì)），同時獲得電能。細菌通過介體或納米導線將電子供給陽極，但電子的轉(zhuǎn)移是可逆的，即細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：實現(xiàn)了用生物陰極進行原位硝酸鹽的生物修復。當存在高濃度的可生物降解的有機物時，也可進行陽極氧化修復。例如，在一個被石油污染的地方，用粒狀石墨作陽極，化學物質(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修復被石油污染的地下水，產(chǎn)生了持續(xù)的高達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。 電池運行時所用植物培養(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 試驗裝置及運行條件 試驗裝置如圖所示：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， 陰陽極由導線連接，外電阻為1 000 ，每個電池所需水溶液體積為550 mL。試驗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 ）下運行，光照強度為2 000 lux，光暗周期10h14 h。電池運行過程中每隔1 d 補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 為試驗所設(shè)外電阻）。當SMFC 運行穩(wěn)定后，采用穩(wěn)態(tài)放電法測試電池的表觀內(nèi)阻。 陰陽極電極電位測定： 以Ag/AgCl 電極作為參比電極，用萬用表測陰陽極電極電位。 陰極氧還原活性檢測：使用CHI660D 電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）進行線性掃描伏安（linear sweep voltammetry，LSV）測試，采用三電極體系，Ag/AgCl 電極為參比電極，需檢測陰極樣品為工作電極，鉑電極為對電極（工作電極與對電極工作面積均為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、上測定有機酸的種類和數(shù)量。2.4 試驗內(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）作為對照，對各個電池組的產(chǎn)電能力及陰陽極電極電位進行分析， 利用LSV 鑒定生物陰極的形成， 最后通過HPLC 對不同植物根系分泌物中有機酸的種類和含量進行分析， 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)新點及技術(shù)優(yōu)勢1）目前國內(nèi)外 Plant-SMFC 的研究均處于起步階段，植物類型對構(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)電機制分析；2）考察4 種不同濕地植物構(gòu)建Plant-SMFC對電池產(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理，可為Plant-SMFC 的實用化奠定理論依據(jù)；3）利用 HPLC 分析了不同植物根系分泌物中有機酸的種類及含量，分析研究根系分泌有機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，成本相對較低; PMFC 增加了 MFC 系統(tǒng)的生物多樣性，且具有美學價值; 系統(tǒng)能夠自我修復，生命周期長且維修費用更低，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險。PMFC 是將電化學方法融入到生態(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)路線對照組SMFC實驗組SMFC文獻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酸分析產(chǎn)電能力生物陰極有機酸分析構(gòu)

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