還原態(tài)硫與菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的多維度解析與機(jī)制探究

還原態(tài)硫與菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的多維度解析與機(jī)制探究一、引言1.1研究背景與意義隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，水體污染問題日益嚴(yán)峻，其中氮污染是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素之一。水體中過量的氮會(huì)引發(fā)藻類過度繁殖，造成水體溶解氧下降，水生生物多樣性減少，嚴(yán)重破壞水生態(tài)系統(tǒng)的平衡。傳統(tǒng)的污水處理方法在應(yīng)對(duì)復(fù)雜的氮污染問題時(shí)，常面臨成本高、能耗大、處理效率有限等挑戰(zhàn)，因此，開發(fā)高效、可持續(xù)的水質(zhì)凈化技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。微生物燃料電池（SMFC）作為一種新興的綠色能源與環(huán)境修復(fù)技術(shù)，近年來受到了廣泛關(guān)注。它利用微生物的代謝活動(dòng)，將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中污染物的降解。在SMFC系統(tǒng)中，陽極微生物在厭氧條件下氧化有機(jī)物，產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子通過外電路流向陰極，質(zhì)子則通過質(zhì)子交換膜遷移到陰極，在陰極與電子和氧氣結(jié)合，完成整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程。這一過程不僅能夠產(chǎn)生電能，還能對(duì)污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行有效去除，為水質(zhì)凈化提供了新的思路和方法。研究表明，SMFC系統(tǒng)對(duì)不同類型污水中的氮污染物具有一定的去除能力，在一些實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛力。然而，目前SMFC系統(tǒng)的性能仍有待進(jìn)一步提高，其內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化過程的機(jī)制尚未完全明晰，限制了該技術(shù)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用。還原態(tài)硫作為自然界中廣泛存在的物質(zhì)，在水環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換中扮演著重要角色。在水體和沉積物中，還原態(tài)硫參與了多種生物地球化學(xué)過程，如硫酸鹽還原、硫化物氧化等。這些過程不僅影響著水體的化學(xué)性質(zhì)，還與微生物的代謝活動(dòng)密切相關(guān)。在一些富含有機(jī)質(zhì)的水體中，硫酸鹽還原菌會(huì)利用有機(jī)物作為電子供體，將硫酸鹽還原為硫化物，這一過程會(huì)改變水體的氧化還原電位，影響其他物質(zhì)的存在形態(tài)和反應(yīng)活性。在厭氧環(huán)境下，還原態(tài)硫還可能與重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，形成難溶性的硫化物沉淀，從而降低重金屬的毒性和遷移性。在SMFC系統(tǒng)中，還原態(tài)硫的存在可能會(huì)對(duì)微生物的代謝途徑和電子傳遞過程產(chǎn)生影響，進(jìn)而作用于內(nèi)源氮的轉(zhuǎn)化。一方面，還原態(tài)硫可以作為微生物的電子供體或受體，參與微生物的呼吸作用，為微生物提供能量，從而影響微生物的生長和活性，間接影響氮轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物的功能；另一方面，還原態(tài)硫的氧化還原反應(yīng)可能會(huì)改變體系的氧化還原電位，影響氮的存在形態(tài)和反應(yīng)活性，例如影響氨氮的硝化和亞硝酸鹽的反硝化過程。然而，目前關(guān)于還原態(tài)硫?qū)MFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的影響研究還相對(duì)較少，其作用機(jī)制尚不明確，這在一定程度上制約了對(duì)SMFC系統(tǒng)中氮循環(huán)過程的深入理解和調(diào)控。菹草（PotamogetoncrispusL.）作為一種常見的沉水植物，在水生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的生態(tài)功能。它能夠通過光合作用增加水體溶解氧，改善水體的生態(tài)環(huán)境；同時(shí)，菹草還能吸收水體和沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)氮、磷等污染物具有一定的凈化能力。在一些湖泊和河流中，菹草的生長可以有效降低水體中的氮、磷含量，抑制藻類的生長，維持水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在SMFC系統(tǒng)中引入菹草，可能會(huì)通過多種途徑影響內(nèi)源氮的轉(zhuǎn)化。菹草的根系為微生物提供了附著表面和棲息場(chǎng)所，有利于微生物的聚集和生長，可能會(huì)增加氮轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物的數(shù)量和活性。菹草在生長過程中會(huì)向周圍環(huán)境釋放一些有機(jī)物質(zhì)，這些物質(zhì)可以作為微生物的碳源和能源，影響微生物的代謝活動(dòng)，進(jìn)而影響氮的轉(zhuǎn)化過程。此外，菹草的光合作用還可能會(huì)改變水體的溶解氧分布和pH值，對(duì)氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行產(chǎn)生間接影響。然而，目前關(guān)于菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的作用研究還不夠系統(tǒng)和深入，缺乏全面的認(rèn)識(shí)和理解。綜上所述，深入研究還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的影響，對(duì)于揭示SMFC系統(tǒng)中氮循環(huán)的復(fù)雜機(jī)制，提高系統(tǒng)的脫氮性能，推動(dòng)SMFC技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。通過探究還原態(tài)硫和菹草在SMFC系統(tǒng)中的作用機(jī)制，可以為優(yōu)化SMFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，為解決水體氮污染問題提供新的技術(shù)手段和策略。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在還原態(tài)硫?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)影響的研究方面，國外學(xué)者較早關(guān)注到還原態(tài)硫在海洋和濕地生態(tài)系統(tǒng)中的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。研究發(fā)現(xiàn)，在海洋沉積物中，還原態(tài)硫參與了硫酸鹽還原菌主導(dǎo)的代謝過程，對(duì)海洋底層水體的氧化還原狀態(tài)和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生重要影響。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，還原態(tài)硫的存在影響著濕地植物的生長和群落結(jié)構(gòu)，通過改變土壤的理化性質(zhì)，如酸堿度和氧化還原電位，進(jìn)而影響植物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用。國內(nèi)相關(guān)研究則側(cè)重于還原態(tài)硫在淡水湖泊和河流沉積物中的作用。有研究表明，在富營養(yǎng)化的湖泊中，還原態(tài)硫的積累與沉積物中有機(jī)質(zhì)的分解密切相關(guān)，過高的還原態(tài)硫含量可能會(huì)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成威脅，影響水生生物的生存和繁殖。在河流生態(tài)系統(tǒng)中，還原態(tài)硫參與了水體中污染物的轉(zhuǎn)化和遷移過程，對(duì)河流的自凈能力產(chǎn)生一定影響。然而，目前關(guān)于還原態(tài)硫?qū)MFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化影響的研究還相對(duì)匱乏，僅有的一些研究也主要集中在還原態(tài)硫?qū)ο到y(tǒng)微生物活性的初步探討上，對(duì)于其在SMFC系統(tǒng)中如何具體影響氮轉(zhuǎn)化途徑和機(jī)制的研究尚顯不足。關(guān)于菹草在水生態(tài)系統(tǒng)中的作用，國內(nèi)外研究已取得了一定成果。國外研究多聚焦于菹草對(duì)水體富營養(yǎng)化的響應(yīng)機(jī)制以及其在生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，菹草能夠通過根系吸收和葉片吸附等方式，有效去除水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)緩解水體富營養(yǎng)化具有積極作用。在生態(tài)修復(fù)方面，菹草常被用于構(gòu)建人工濕地，利用其凈化能力改善濕地水質(zhì)。國內(nèi)研究則更加關(guān)注菹草在不同環(huán)境條件下的生長特性和生態(tài)功能。通過對(duì)不同湖泊和河流中菹草群落的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)菹草的生長受到光照、水溫、底質(zhì)等多種環(huán)境因素的影響。在一些淺水湖泊中，菹草的大量生長能夠?yàn)樗鷦?dòng)物提供棲息地和食物來源，促進(jìn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性。然而，在SMFC系統(tǒng)中引入菹草后，其對(duì)系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的作用機(jī)制研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)性的研究成果，尤其是菹草與SMFC系統(tǒng)中微生物之間的相互作用關(guān)系尚不明確。在SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的研究領(lǐng)域，國外研究起步較早，主要圍繞微生物代謝途徑和電極材料對(duì)氮轉(zhuǎn)化的影響展開。通過對(duì)不同類型微生物的研究，揭示了微生物在SMFC系統(tǒng)中參與氮轉(zhuǎn)化的多種途徑，如硝化、反硝化和厭氧氨氧化等。在電極材料方面，研究發(fā)現(xiàn)新型電極材料的開發(fā)能夠提高系統(tǒng)的電子傳遞效率，從而促進(jìn)氮的去除。國內(nèi)研究則在借鑒國外成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實(shí)際水質(zhì)情況，對(duì)SMFC系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。通過調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，如溫度、pH值和有機(jī)負(fù)荷等，提高了系統(tǒng)的脫氮性能。然而，目前對(duì)于SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的研究仍存在一些不足之處，尤其是在復(fù)雜環(huán)境因素對(duì)氮轉(zhuǎn)化的綜合影響方面，研究還不夠全面和深入。綜上所述，當(dāng)前對(duì)于還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的影響研究還存在諸多空白和不足。本研究將從還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)、氮轉(zhuǎn)化關(guān)鍵酶活性以及氮轉(zhuǎn)化途徑的影響等方面展開深入探究，旨在揭示其作用機(jī)制，為提高SMFC系統(tǒng)的脫氮性能提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律及作用機(jī)制，為優(yōu)化SMFC系統(tǒng)的脫氮性能提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，具體研究內(nèi)容如下：還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響：構(gòu)建不同還原態(tài)硫濃度和菹草存在與否的SMFC系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓輸出、功率密度等電性能參數(shù)，以及化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、硝態(tài)氮等污染物去除率，分析還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)整體運(yùn)行性能的影響。通過對(duì)比不同處理組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確還原態(tài)硫和菹草在系統(tǒng)中的作用效果，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響：運(yùn)用高通量測(cè)序技術(shù)分析不同處理組SMFC系統(tǒng)陽極和陰極微生物群落的組成和多樣性，探究還原態(tài)硫和菹草對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。分析微生物群落中與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能菌群，如硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、厭氧氨氧化細(xì)菌等的相對(duì)豐度變化，揭示還原態(tài)硫和菹草通過影響微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)而作用于內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的潛在機(jī)制。還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化關(guān)鍵酶活性的影響：測(cè)定不同處理組SMFC系統(tǒng)中參與氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，如氨單加氧酶（AMO）、亞硝酸還原酶（NIR）、硝酸還原酶（NR）等的活性，研究還原態(tài)硫和菹草對(duì)這些關(guān)鍵酶活性的影響。通過酶活性的變化，進(jìn)一步了解還原態(tài)硫和菹草對(duì)氮轉(zhuǎn)化過程中各個(gè)反應(yīng)步驟的調(diào)控作用，明確其在氮轉(zhuǎn)化機(jī)制中的關(guān)鍵作用環(huán)節(jié)。還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化途徑的影響：采用穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)，追蹤不同形態(tài)氮在SMFC系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化路徑，研究還原態(tài)硫和菹草對(duì)氮轉(zhuǎn)化途徑的影響。分析硝化、反硝化、厭氧氨氧化等氮轉(zhuǎn)化途徑的相對(duì)貢獻(xiàn)率，明確還原態(tài)硫和菹草對(duì)不同氮轉(zhuǎn)化途徑的促進(jìn)或抑制作用，全面揭示其對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化途徑的影響機(jī)制。1.4研究方法與技術(shù)路線實(shí)驗(yàn)研究SMFC系統(tǒng)構(gòu)建：采用有機(jī)玻璃制作反應(yīng)器，構(gòu)建不同處理組的SMFC系統(tǒng)。陽極采用石墨氈，陰極采用碳布，中間設(shè)置質(zhì)子交換膜。在反應(yīng)器底部鋪設(shè)一定厚度的沉積物，模擬自然水體環(huán)境。向反應(yīng)器中加入適量的人工配水，其水質(zhì)成分參考實(shí)際受污染水體，包含一定濃度的有機(jī)物、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，以及適量的微量元素，以滿足微生物生長和代謝的需求。還原態(tài)硫添加：選擇硫化鈉（Na?S）作為還原態(tài)硫的添加源，分別設(shè)置不同的添加濃度梯度，如0mg/L、50mg/L、100mg/L、150mg/L等，以研究還原態(tài)硫濃度對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的影響。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將硫化鈉溶解后均勻加入到相應(yīng)處理組的反應(yīng)器中。菹草種植：選取生長狀況良好、大小均勻的菹草植株，將其種植在反應(yīng)器中。設(shè)置有菹草和無菹草的對(duì)照處理組，研究菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)的作用。種植時(shí)，將菹草的根部固定在沉積物中，確保植株能夠正常生長。運(yùn)行條件控制：將所有反應(yīng)器放置在恒溫培養(yǎng)箱中，控制溫度為25±1℃，模擬自然水體的適宜溫度條件。采用磁力攪拌器對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的液體進(jìn)行低速攪拌，使水質(zhì)均勻混合，促進(jìn)微生物與底物的接觸，攪拌速度控制在50r/min。定期向陰極通入空氣，維持陰極的好氧環(huán)境，確保電化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行。樣品采集與分析水樣采集：每隔一定時(shí)間（如2天），使用無菌注射器從反應(yīng)器中采集水樣，用于分析化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮等水質(zhì)指標(biāo)。COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定，亞硝態(tài)氮采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法測(cè)定。生物樣品采集：在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分別采集陽極和陰極的生物膜樣品，用于分析微生物群落結(jié)構(gòu)。使用無菌刮刀將生物膜從電極表面刮下，放入無菌離心管中，立即置于-80℃冰箱中保存，待后續(xù)分析。酶活性測(cè)定：采集反應(yīng)器內(nèi)的懸浮液樣品，用于測(cè)定氮轉(zhuǎn)化關(guān)鍵酶的活性。氨單加氧酶（AMO）活性采用羥胺氧化法測(cè)定，亞硝酸還原酶（NIR）活性采用分光光度法測(cè)定，硝酸還原酶（NR）活性采用磺胺比色法測(cè)定。數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：運(yùn)用Origin、SPSS等統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)算各處理組的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，采用單因素方差分析（One-wayANOVA）比較不同處理組之間的差異顯著性，當(dāng)P<0.05時(shí)，認(rèn)為差異顯著。通過相關(guān)性分析，研究還原態(tài)硫濃度、菹草生物量與SMFC系統(tǒng)運(yùn)行性能、微生物群落結(jié)構(gòu)、氮轉(zhuǎn)化關(guān)鍵酶活性之間的關(guān)系。主成分分析（PCA）：利用主成分分析方法，對(duì)不同處理組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，降維處理多變量數(shù)據(jù)，直觀展示不同處理組之間的差異和相似性，揭示還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的綜合影響。模型構(gòu)建建立氮轉(zhuǎn)化模型：基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合質(zhì)量守恒定律和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，建立SMFC系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型?？紤]硝化、反硝化、厭氧氨氧化等主要氮轉(zhuǎn)化過程，確定各反應(yīng)的速率常數(shù)和反應(yīng)條件，模擬不同處理組中氮的轉(zhuǎn)化路徑和轉(zhuǎn)化效率，通過模型預(yù)測(cè)還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)脫氮性能的影響。模型驗(yàn)證與優(yōu)化：將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，提高模型的預(yù)測(cè)精度，為SMFC系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論支持。本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，構(gòu)建SMFC系統(tǒng)并設(shè)置不同處理組，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，定期采集樣品并分析各項(xiàng)指標(biāo)，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和模型構(gòu)建，最后根據(jù)研究結(jié)果提出結(jié)論與展望。[此處插入技術(shù)路線圖]圖1-1研究技術(shù)路線圖二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1SMFC系統(tǒng)概述微生物燃料電池（SMFC）作為一種融合了微生物學(xué)、電化學(xué)和材料科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的新型裝置，近年來在環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。它的基本組成主要包括陽極、陰極、質(zhì)子交換膜以及外部電路。陽極通常由具有高比表面積和良好導(dǎo)電性的材料制成，如石墨氈、碳布等，為微生物的附著和生長提供了適宜的場(chǎng)所。在陽極室中，富含微生物的厭氧環(huán)境是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵起始點(diǎn)。微生物在代謝過程中，以污水中的有機(jī)物質(zhì)為底物，通過一系列復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，將有機(jī)物逐步氧化分解。在這個(gè)過程中，微生物體內(nèi)的電子傳遞鏈被激活，電子從有機(jī)物中剝離出來，經(jīng)由微生物細(xì)胞內(nèi)的電子載體傳遞到細(xì)胞外，進(jìn)而進(jìn)入陽極材料。質(zhì)子交換膜是SMFC系統(tǒng)的核心組件之一，它具有特殊的離子選擇性透過性能。在陽極產(chǎn)生的質(zhì)子（H?），在濃度差和電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下，通過質(zhì)子交換膜向陰極遷移。質(zhì)子交換膜的存在不僅確保了質(zhì)子的順利傳輸，維持了電池內(nèi)部的電荷平衡，還有效地分隔了陽極和陰極的反應(yīng)環(huán)境，防止了氧化劑與還原劑的直接接觸，避免了化學(xué)能的無效損耗，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。陰極是電子和質(zhì)子的匯聚地，其材料同樣需要具備良好的導(dǎo)電性和催化活性。常見的陰極材料有鉑碳、二氧化錳修飾的碳布等。在陰極室，通常通入氧氣或其他氧化劑，當(dāng)電子通過外部電路從陽極到達(dá)陰極，與通過質(zhì)子交換膜遷移過來的質(zhì)子以及氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)。以氧氣作為氧化劑為例，其反應(yīng)式為：O?+4H?+4e?→2H?O。這個(gè)反應(yīng)過程釋放出大量的能量，驅(qū)動(dòng)電子在外部電路中持續(xù)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。SMFC系統(tǒng)在污水處理領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景。在處理生活污水時(shí)，SMFC能夠有效地去除其中的有機(jī)物、氮、磷等污染物。生活污水中含有大量的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物質(zhì)，這些物質(zhì)在陽極微生物的作用下被逐步分解，轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和電子、質(zhì)子。通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，如陽極微生物的種類和數(shù)量、電極材料的選擇、運(yùn)行溫度和pH值等，SMFC對(duì)生活污水中化學(xué)需氧量（COD）的去除率可達(dá)80%以上。在處理工業(yè)廢水方面，SMFC同樣展現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性。對(duì)于一些含有高濃度有機(jī)污染物的工業(yè)廢水，如食品加工廢水、制藥廢水等，SMFC可以利用其內(nèi)部的微生物群落，將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為電能和無害物質(zhì)。在處理食品加工廢水時(shí)，SMFC不僅能夠降低廢水中的COD含量，還能回收一定量的電能，實(shí)現(xiàn)了資源的回收利用和廢水的減量化處理。在能源回收方面，SMFC系統(tǒng)的意義重大。傳統(tǒng)的污水處理方法往往需要消耗大量的能源，而SMFC則打破了這一常規(guī)模式，實(shí)現(xiàn)了污水處理與能源回收的同步進(jìn)行。在處理污水過程中，SMFC產(chǎn)生的電能可以直接用于驅(qū)動(dòng)小型設(shè)備，如傳感器、水泵等，為污水處理設(shè)施的運(yùn)行提供部分能源支持，降低了對(duì)外部電網(wǎng)的依賴。研究表明，在一些優(yōu)化條件下，SMFC的功率密度可達(dá)到數(shù)十毫瓦每平方米，雖然目前其輸出功率還相對(duì)較低，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和優(yōu)化，其能源回收潛力巨大。此外，SMFC產(chǎn)生的電能還可以儲(chǔ)存起來，用于后續(xù)的能源需求，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的能源供應(yīng)提供了新的途徑。內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化在SMFC系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位。氮元素是水體中的重要營養(yǎng)物質(zhì)，但過量的氮排放會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。在SMFC系統(tǒng)中，內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化涉及多種復(fù)雜的生物化學(xué)過程。氨氮在硝化細(xì)菌的作用下，首先被氧化為亞硝酸鹽氮，然后進(jìn)一步氧化為硝酸鹽氮，這個(gè)過程稱為硝化作用。反硝化細(xì)菌則利用有機(jī)物作為電子供體，將硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原為氮?dú)猓瑥乃w中逸出，實(shí)現(xiàn)了氮的去除，這個(gè)過程稱為反硝化作用。厭氧氨氧化細(xì)菌能夠在厭氧條件下，將氨氮和亞硝酸鹽氮直接轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，這一過程不僅節(jié)省了傳統(tǒng)脫氮工藝中對(duì)氧氣和有機(jī)碳源的需求，還減少了溫室氣體的排放。內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化過程直接影響著SMFC系統(tǒng)的脫氮效率和出水水質(zhì)，深入研究這一過程對(duì)于優(yōu)化SMFC系統(tǒng)的性能、提高其對(duì)氮污染物的去除能力具有重要意義。2.2還原態(tài)硫的特性與作用還原態(tài)硫是一類重要的化學(xué)物質(zhì)，在自然界中廣泛存在，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換起著關(guān)鍵作用。常見的還原態(tài)硫物質(zhì)包括硫化氫（H?S）、硫化物（如FeS、ZnS等金屬硫化物以及Na?S、K?S等可溶性硫化物）和單質(zhì)硫（S）等。硫化氫是一種具有臭雞蛋氣味的無色氣體，在常溫常壓下易溶于水，形成氫硫酸。它是一種強(qiáng)還原劑，在水中能發(fā)生電離，產(chǎn)生氫離子（H?）和硫氫根離子（HS?），部分硫氫根離子還會(huì)進(jìn)一步電離產(chǎn)生硫離子（S2?）。硫化氫在厭氧環(huán)境中大量產(chǎn)生，例如在富含硫酸鹽的水體或沉積物中，硫酸鹽還原菌利用有機(jī)物作為電子供體，將硫酸鹽還原為硫化氫。在一些污水處理廠的厭氧消化池中，就會(huì)產(chǎn)生大量的硫化氫氣體，若不進(jìn)行有效處理，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，還會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。金屬硫化物大多具有難溶性，它們?cè)谧匀唤缰谐Ｒ缘V物的形式存在，如黃鐵礦（FeS?）、閃鋅礦（ZnS）等。這些金屬硫化物的穩(wěn)定性和反應(yīng)活性與其晶體結(jié)構(gòu)、金屬離子的性質(zhì)以及環(huán)境條件密切相關(guān)。在酸性條件下，金屬硫化物會(huì)與酸發(fā)生反應(yīng)，釋放出硫化氫氣體。例如，F(xiàn)eS與稀鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為：FeS+2HCl→FeCl?+H?S↑。金屬硫化物的存在形態(tài)還會(huì)影響金屬離子的遷移和轉(zhuǎn)化，一些重金屬硫化物的沉淀可以降低重金屬在環(huán)境中的毒性和遷移性。單質(zhì)硫通常為黃色晶體，不溶于水，微溶于酒精，易溶于二硫化碳等有機(jī)溶劑。在自然界中，單質(zhì)硫可以通過火山噴發(fā)、生物活動(dòng)等方式產(chǎn)生。在火山地區(qū)，高溫條件下硫酸鹽的分解和硫化氫的氧化等過程都可能產(chǎn)生單質(zhì)硫。在生物體內(nèi)，一些微生物如硫氧化細(xì)菌能夠利用硫化氫等還原態(tài)硫物質(zhì)進(jìn)行代謝活動(dòng)，將其氧化為單質(zhì)硫或更高價(jià)態(tài)的硫化合物。在自然環(huán)境中，還原態(tài)硫主要存在于水體、土壤和沉積物等介質(zhì)中。在水體中，還原態(tài)硫的含量和存在形式受到水體的溶解氧、pH值、有機(jī)物含量以及微生物活動(dòng)等多種因素的影響。在厭氧的水體底層，由于溶解氧含量低，硫酸鹽還原作用強(qiáng)烈，還原態(tài)硫主要以硫化氫和硫化物的形式存在；而在表層水體，由于溶解氧充足，還原態(tài)硫會(huì)被氧化為高價(jià)態(tài)的硫化合物。在土壤中，還原態(tài)硫主要與土壤中的有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)結(jié)合，參與土壤的養(yǎng)分循環(huán)和微生物代謝。在沉積物中，還原態(tài)硫是有機(jī)質(zhì)分解和硫循環(huán)的重要中間產(chǎn)物，對(duì)沉積物的理化性質(zhì)和生態(tài)功能具有重要影響。還原態(tài)硫?qū)ξ⑸锎x和化學(xué)反應(yīng)具有多方面的影響。在微生物代謝過程中，還原態(tài)硫可以作為電子供體或受體，參與微生物的呼吸作用。一些硫酸鹽還原菌能夠利用硫化氫作為電子供體，將硫酸鹽還原為硫化物，同時(shí)獲得能量用于自身的生長和繁殖。反硫化細(xì)菌則可以利用有機(jī)物作為電子供體，將硫化物氧化為硫酸鹽。這些微生物的代謝活動(dòng)不僅影響著還原態(tài)硫的轉(zhuǎn)化，還與其他物質(zhì)的循環(huán)密切相關(guān)，如氮循環(huán)、碳循環(huán)等。在化學(xué)反應(yīng)方面，還原態(tài)硫參與了多種氧化還原反應(yīng)，對(duì)環(huán)境中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和遷移起著重要作用。硫化氫可以與金屬離子發(fā)生反應(yīng)，形成金屬硫化物沉淀，從而影響金屬離子的濃度和存在形態(tài)。在一些含有重金屬離子的水體中，加入適量的硫化物可以使重金屬離子沉淀下來，降低水體中重金屬的含量。還原態(tài)硫還可以與氧氣、過氧化氫等氧化劑發(fā)生反應(yīng)，被氧化為高價(jià)態(tài)的硫化合物。在污水處理中，可以利用這一特性，通過投加氧化劑來去除水體中的還原態(tài)硫。在SMFC系統(tǒng)中，還原態(tài)硫的存在會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行和內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化產(chǎn)生重要影響。一方面，還原態(tài)硫可能會(huì)影響陽極微生物的代謝活性和電子傳遞效率，從而影響系統(tǒng)的產(chǎn)電性能。如果還原態(tài)硫濃度過高，可能會(huì)對(duì)陽極微生物產(chǎn)生毒性，抑制其生長和代謝，進(jìn)而降低系統(tǒng)的電壓輸出和功率密度。另一方面，還原態(tài)硫參與的氧化還原反應(yīng)會(huì)改變系統(tǒng)的氧化還原電位，影響氮轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物的生存環(huán)境和代謝途徑。在高還原態(tài)硫環(huán)境下，硝化細(xì)菌的活性可能會(huì)受到抑制，導(dǎo)致氨氮的硝化過程受阻；而反硝化細(xì)菌的活性則可能會(huì)增強(qiáng)，促進(jìn)硝酸鹽氮的反硝化過程。2.3菹草的生物學(xué)特性與生態(tài)功能菹草（PotamogetoncrispusL.）隸屬于眼子菜科眼子菜屬，是一種多年生沉水草本植物，在全球范圍內(nèi)廣泛分布，在中國的南北各省區(qū)均有蹤跡，常成為沉水植物群落中的優(yōu)勢(shì)種。其生長環(huán)境多樣，主要集中在池塘、水溝、水稻田、灌渠及緩流河水中，偏好微酸至中性的水體環(huán)境。從形態(tài)特征來看，菹草的根莖呈現(xiàn)圓柱形，堅(jiān)實(shí)而富有韌性，為植株在水底的固定和營養(yǎng)吸收提供了基礎(chǔ)。莖稍扁，具有多個(gè)分枝，近基部常匍匐于地面，節(jié)上生出須根，這種特殊的生長方式有助于其在復(fù)雜的水底環(huán)境中穩(wěn)固生長，并高效吸收底質(zhì)中的養(yǎng)分。葉為條形，長度一般在3-8厘米，寬度約0.5-1厘米，先端鈍圓，基部約1毫米處與托葉合生，但不形成葉鞘。其葉緣呈淺波狀，帶有細(xì)鋸齒，這些鋸齒不僅增加了葉片的表面積，有利于光合作用和氣體交換，還可能在一定程度上抵御食草動(dòng)物的啃食。葉片具有3-5條平行的葉脈，頂端相互連接，中脈近基部兩側(cè)伴有由通氣組織形成的細(xì)紋，這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有助于氧氣在植株體內(nèi)的傳輸，適應(yīng)沉水生活的低氧環(huán)境。托葉為薄膜質(zhì)，長0.5-1厘米，在生長過程中早落。休眠芽腋生，呈松果狀，長度為1-3厘米，由2列革質(zhì)葉緊密排列而成，基部肥厚且堅(jiān)硬，邊緣具細(xì)齒。這種獨(dú)特的休眠芽結(jié)構(gòu)不僅能夠幫助菹草度過不利的環(huán)境條件，如高溫的夏季，還在繁殖過程中發(fā)揮著重要作用。穗狀花序頂生，花2-4輪，起初每輪2朵對(duì)生，隨著穗軸的伸長，花序常稍不對(duì)稱?；ㄐ蚬３拾魻?，較莖細(xì)，花小，花被片4枚，呈淡綠色。果實(shí)基部連合，為卵圓形，長約3.5毫米，果喙長達(dá)2毫米，稍彎曲，背脊約1/2以下具齒。菹草具有獨(dú)特的生長習(xí)性和生活史。它主要生長在亞熱帶生物群落，對(duì)低溫環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，最適生長溫度范圍為10-20℃。當(dāng)水溫超過24℃時(shí)，其生長速度明顯減緩，超過30℃則開始死亡。菹草的生活史呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，秋季開始萌發(fā)，幼苗順利越冬，春季迎來快速生長階段，夏末逐漸死亡。在早春，休眠種子開始萌發(fā)成植株，從水底緩慢向上伸展，4月進(jìn)入生長旺盛期。當(dāng)水溫達(dá)到20℃時(shí)，植株生物量達(dá)到最大值。5月前后進(jìn)入花果期，6月上中旬，隨著水溫升高至25℃以上，植株逐漸衰敗變黃，葉片脫落，莖節(jié)腐敗，成熟種子落入泥中，進(jìn)入蟄伏休眠期，至此完成一個(gè)完整的生活周期。按照生長發(fā)育特征和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)過程，菹草的個(gè)體發(fā)育可細(xì)分為9個(gè)階段，分別為芽殖體萌發(fā)期、幼苗生長期、幼苗越冬期、返青期、指數(shù)生長期、花果期、芽殖體發(fā)生期、植株衰亡期和芽殖體越夏期。在繁殖方式上，菹草具備有性繁殖和無性繁殖兩種方式。有性繁殖通過穗狀花序挺出水面進(jìn)行授粉，果實(shí)在水中成熟，堅(jiān)果呈葫蘆狀，但果實(shí)數(shù)量相對(duì)較少。種子萌發(fā)的最適溫度為20℃，土壤是種子萌發(fā)的重要基質(zhì)。然而，在野外環(huán)境中，很少觀察到由種子萌發(fā)的幼苗。無性繁殖是菹草更為常見的繁殖方式，包括兩種途徑：一是在春末夏初，斷枝脫離母體，長出不定根，發(fā)育成新個(gè)體，這種營養(yǎng)生殖方式使得菹草能夠在適宜的環(huán)境中迅速擴(kuò)大種群數(shù)量；二是芽殖體（石芽）繁殖，這是菹草越夏和次年種群繁衍的主要方式。夏初，在植株每個(gè)分枝頂端會(huì)生出一個(gè)石芽，當(dāng)母體死亡腐爛后，石芽沉入水底，度過夏季的不利環(huán)境，待秋季水溫適宜時(shí)，石芽萌發(fā)長出新個(gè)體。菹草在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著多種重要的生態(tài)功能。在凈化水體方面，菹草能夠通過根系和葉片吸收水體和底泥中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，有效降低水體中的營養(yǎng)鹽濃度，從而抑制藻類的過度繁殖，防止水體富營養(yǎng)化。研究表明，菹草對(duì)氨氮、硝態(tài)氮和磷酸鹽的吸收效率較高，在適宜的生長條件下，其對(duì)水體中氮、磷的去除率可達(dá)50%以上。菹草還能吸附水體中的重金屬離子，如鉛、鎘、汞等，通過自身的代謝活動(dòng)將重金屬離子富集在體內(nèi)，從而降低水體中重金屬的含量，修復(fù)被污染的水體環(huán)境。在為水生生物提供棲息地方面，菹草茂密的植株為眾多水生動(dòng)物提供了理想的棲息場(chǎng)所。其莖和葉為魚類、蝦類、螺類等提供了躲避天敵的庇護(hù)所，增加了水生生物的生存空間。菹草群落叢生處也是許多水生昆蟲、浮游動(dòng)物的繁殖和覓食場(chǎng)所，促進(jìn)了水生生物群落的多樣性。在一些湖泊和河流中，菹草的存在吸引了大量的魚類前來覓食和繁殖，為漁業(yè)資源的保護(hù)和增殖提供了有利條件。在維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定方面，菹草通過光合作用向水體中釋放氧氣，提高水體的溶解氧含量，改善水體的生態(tài)環(huán)境。在冬季，當(dāng)其他水生植物生長緩慢或停止生長時(shí)，菹草仍能在冰下水體中正常進(jìn)行光合作用，為水中生物提供必要的氧氣，保障了水生生物的生存。菹草的生長還能影響水體的水流速度和底質(zhì)穩(wěn)定性，減少水體的侵蝕和淤積，維持水生態(tài)系統(tǒng)的平衡。2.4內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的基本過程與機(jī)制在SMFC系統(tǒng)中，內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的生物化學(xué)過程，涉及多種微生物的協(xié)同作用以及一系列氧化還原反應(yīng)，主要包括同化、氨化、硝化、反硝化等過程，這些過程相互關(guān)聯(lián)，共同維持著系統(tǒng)中氮元素的平衡和循環(huán)。同化作用是微生物利用氮源合成自身細(xì)胞物質(zhì)的過程。在SMFC系統(tǒng)中，微生物通過攝取環(huán)境中的氨氮、硝態(tài)氮等無機(jī)氮源，將其轉(zhuǎn)化為氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸等有機(jī)氮化合物，成為細(xì)胞的組成部分。這個(gè)過程不僅是微生物生長和繁殖的基礎(chǔ)，也對(duì)系統(tǒng)中氮的去除起到了一定作用。一些異養(yǎng)微生物在利用有機(jī)碳源進(jìn)行代謝的同時(shí)，會(huì)攝取氨氮作為氮源，將其同化為自身的蛋白質(zhì)和核酸，從而降低了系統(tǒng)中氨氮的濃度。同化作用的速率受到微生物種類、氮源濃度、碳氮比等多種因素的影響。當(dāng)系統(tǒng)中碳源充足而氮源相對(duì)缺乏時(shí)，微生物會(huì)更積極地?cái)z取氮源進(jìn)行同化，以滿足自身生長的需求。不同種類的微生物對(duì)氮源的同化能力也存在差異，一些高效的氮同化微生物能夠在較低的氮源濃度下快速攝取和利用氮，而另一些微生物則對(duì)氮源的濃度和種類有更嚴(yán)格的要求。氨化作用是有機(jī)氮在微生物的作用下分解轉(zhuǎn)化為氨氮的過程。在SMFC系統(tǒng)中，存在著大量能夠進(jìn)行氨化作用的微生物，如芽孢桿菌屬、梭菌屬等。這些微生物通過分泌蛋白酶、肽酶等酶類，將蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸等有機(jī)氮化合物逐步分解，最終釋放出氨氮。在厭氧條件下，芽孢桿菌能夠利用蛋白質(zhì)作為底物，通過一系列酶促反應(yīng)將其分解為氨基酸，再進(jìn)一步脫氨基生成氨氮。氨化作用在SMFC系統(tǒng)中具有重要意義，它是有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮的關(guān)鍵步驟，為后續(xù)的硝化和反硝化過程提供了氨氮底物。氨化作用的進(jìn)行受到溫度、pH值、溶解氧等環(huán)境因素的影響。適宜的溫度和pH值能夠促進(jìn)氨化微生物的生長和代謝，提高氨化作用的速率。在中性至微堿性的環(huán)境中，氨化作用通常較為活躍，而在酸性環(huán)境中，氨化微生物的活性可能會(huì)受到抑制，從而降低氨化作用的效率。溶解氧的存在也會(huì)對(duì)氨化作用產(chǎn)生影響，一些厭氧氨化微生物在無氧條件下才能發(fā)揮最佳活性，而兼性厭氧氨化微生物則在有氧和無氧條件下都能進(jìn)行氨化作用，但作用強(qiáng)度可能有所不同。硝化作用是在好氧條件下，氨氮在硝化細(xì)菌的作用下逐步氧化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的過程。硝化細(xì)菌主要包括亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌，亞硝化細(xì)菌首先將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，其反應(yīng)式為：2NH_{4}^{+}+3O_{2}\stackrel{亞硝化細(xì)菌}{=\!=\!=}2NO_{2}^{-}+4H^{+}+2H_{2}O；然后硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽氮進(jìn)一步氧化為硝酸鹽氮，反應(yīng)式為：2NO_{2}^{-}+O_{2}\stackrel{硝化細(xì)菌}{=\!=\!=}2NO_{3}^{-}。硝化作用在SMFC系統(tǒng)的氮循環(huán)中起著關(guān)鍵作用，它將氨氮轉(zhuǎn)化為相對(duì)穩(wěn)定的硝態(tài)氮，不僅降低了氨氮的毒性，還為后續(xù)的反硝化作用提供了底物。硝化細(xì)菌是一類化能自養(yǎng)型微生物，它們以二氧化碳為碳源，通過氧化氨氮或亞硝酸鹽氮獲取能量。硝化作用的效率受到多種因素的制約，其中溶解氧、溫度和pH值是最為關(guān)鍵的因素。硝化細(xì)菌對(duì)溶解氧的需求較高，一般要求溶解氧濃度在2mg/L以上，以保證其呼吸作用和氧化反應(yīng)的順利進(jìn)行。溫度對(duì)硝化作用的影響也十分顯著，硝化細(xì)菌的最適生長溫度范圍通常在25-30℃之間，當(dāng)溫度低于15℃時(shí)，硝化作用的速率會(huì)明顯下降，溫度過低甚至?xí)?dǎo)致硝化細(xì)菌的活性受到抑制，使硝化作用幾乎停止。pH值對(duì)硝化作用的影響主要體現(xiàn)在對(duì)硝化細(xì)菌酶活性的影響上，硝化作用的最適pH值范圍為7.5-8.5，在酸性或堿性過強(qiáng)的環(huán)境中，硝化細(xì)菌的酶活性會(huì)受到損害，從而影響硝化作用的進(jìn)行。反硝化作用是在缺氧條件下，反硝化細(xì)菌將硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原為氮?dú)獾倪^程。反硝化細(xì)菌是一類異養(yǎng)型兼性厭氧菌，常見的有假單胞菌屬、芽孢桿菌屬等。它們利用有機(jī)物作為電子供體，以硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮作為電子受體，進(jìn)行無氧呼吸，最終將氮氧化物還原為氮?dú)猓瑥南到y(tǒng)中逸出，實(shí)現(xiàn)氮的去除。以甲醇作為電子供體時(shí)，反硝化反應(yīng)的總方程式為：6NO_{3}^{-}+5CH_{3}OH\stackrel{反硝化細(xì)菌}{=\!=\!=}3N_{2}\uparrow+5CO_{2}\uparrow+7H_{2}O+6OH^{-}。反硝化作用是SMFC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脫氮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它能夠?qū)⑾趸饔卯a(chǎn)生的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為無害的氮?dú)猓瑥亩行Ы档拖到y(tǒng)中氮的含量。反硝化作用的進(jìn)行需要滿足一定的條件，其中碳源、溶解氧和溫度是主要的影響因素。碳源是反硝化細(xì)菌進(jìn)行代謝活動(dòng)的能量來源，充足的碳源能夠促進(jìn)反硝化作用的進(jìn)行。一般認(rèn)為，BOD?/TN（碳氮比）應(yīng)保持在3-5之間，以確保反硝化細(xì)菌有足夠的電子供體。溶解氧對(duì)反硝化作用具有抑制作用，反硝化細(xì)菌在無氧或低氧（溶解氧濃度低于0.5mg/L）的環(huán)境中才能發(fā)揮最佳活性。溫度對(duì)反硝化作用的影響與硝化作用類似，反硝化細(xì)菌的最適生長溫度范圍在25-30℃之間，溫度過高或過低都會(huì)影響反硝化細(xì)菌的活性和反硝化作用的速率。除了上述主要過程外，SMFC系統(tǒng)中還可能存在厭氧氨氧化等特殊的氮轉(zhuǎn)化途徑。厭氧氨氧化是在厭氧條件下，厭氧氨氧化細(xì)菌以亞硝酸鹽氮為電子受體，將氨氮直接氧化為氮?dú)獾倪^程。其反應(yīng)式為：NH_{4}^{+}+NO_{2}^{-}\stackrel{厭氧氨氧化細(xì)菌}{=\!=\!=}N_{2}\uparrow+2H_{2}O。厭氧氨氧化過程具有無需外加碳源、能耗低、脫氮效率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛關(guān)注。然而，厭氧氨氧化細(xì)菌對(duì)環(huán)境條件要求苛刻，如對(duì)溶解氧極為敏感，需要嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，且生長緩慢，這在一定程度上限制了其在SMFC系統(tǒng)中的應(yīng)用。系統(tǒng)中的其他因素，如電極材料、微生物群落結(jié)構(gòu)、水力停留時(shí)間等，也會(huì)對(duì)厭氧氨氧化過程產(chǎn)生影響。不同的電極材料可能會(huì)影響微生物的附著和電子傳遞，從而間接影響厭氧氨氧化細(xì)菌的活性。微生物群落結(jié)構(gòu)的變化可能會(huì)改變系統(tǒng)中各種微生物之間的相互作用關(guān)系，進(jìn)而影響厭氧氨氧化過程的進(jìn)行。水力停留時(shí)間則會(huì)影響底物與微生物的接觸時(shí)間和反應(yīng)程度，合適的水力停留時(shí)間能夠提高厭氧氨氧化的效率。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法3.1實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備本實(shí)驗(yàn)選用硫化鈉（Na?S）作為還原態(tài)硫的添加試劑，其純度不低于98%，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。硫化鈉在實(shí)驗(yàn)前需密封保存于干燥、陰涼處，避免與空氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)。使用時(shí)，準(zhǔn)確稱取一定量的硫化鈉，用去離子水溶解并配制成濃度為1000mg/L的儲(chǔ)備液，置于棕色試劑瓶中，4℃冰箱冷藏保存，備用。菹草采集自本地某水質(zhì)良好的湖泊，采集時(shí)選取生長健壯、無病蟲害且大小均勻的植株。將采集后的菹草用清水沖洗干凈，去除表面的泥沙和雜質(zhì)，然后在實(shí)驗(yàn)室的水族箱中進(jìn)行暫養(yǎng)。暫養(yǎng)期間，使用曝氣后的自來水作為培養(yǎng)液，培養(yǎng)液中添加適量的霍格蘭德營養(yǎng)液，以滿足菹草生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。將水族箱放置在光照培養(yǎng)箱中，設(shè)置光照強(qiáng)度為3000lx，光照時(shí)間為12h/d，溫度為20±1℃，定期更換培養(yǎng)液，待菹草適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境且生長穩(wěn)定后，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。SMFC系統(tǒng)組件的選擇和準(zhǔn)備至關(guān)重要。陽極采用石墨氈，其具有較大的比表面積和良好的導(dǎo)電性，能夠?yàn)槲⑸锏母街蜕L提供充足的空間。石墨氈規(guī)格為10cm×10cm×1cm，使用前先用去離子水沖洗3-5次，去除表面的雜質(zhì)，然后在1mol/L的鹽酸溶液中浸泡24h，以去除石墨氈表面的金屬離子和氧化物，提高其電化學(xué)性能。浸泡后，再用去離子水沖洗至中性，在60℃的烘箱中烘干備用。陰極選用碳布，其同樣具備良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性。碳布規(guī)格為10cm×10cm，使用前依次用無水乙醇、去離子水超聲清洗15-20min，去除表面的油污和雜質(zhì)，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于400℃的馬弗爐中熱處理2h，以增強(qiáng)其催化活性，處理后冷卻至室溫，備用。質(zhì)子交換膜選用Nafion117膜，該膜具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性。使用前，將Nafion117膜依次在3%的過氧化氫溶液、去離子水和0.5mol/L的硫酸溶液中于80℃下浸泡1h，以去除膜表面的雜質(zhì)和催化劑殘留，提高膜的性能。浸泡后，用去離子水沖洗至中性，備用。反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制作，其尺寸為20cm×10cm×15cm，具有良好的透光性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠滿足實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)反應(yīng)體系的觀察和監(jiān)測(cè)需求。在反應(yīng)器的頂部和底部分別設(shè)置進(jìn)水口和出水口，以便于水樣的更換和采集。在反應(yīng)器的側(cè)面安裝有電極夾，用于固定陽極和陰極，確保電極在反應(yīng)體系中的位置穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)用底泥采集自上述湖泊的表層（0-10cm），該區(qū)域底泥富含有機(jī)質(zhì)和微生物，能夠?yàn)镾MFC系統(tǒng)提供豐富的微生物群落和營養(yǎng)物質(zhì)。采集后的底泥用塑料袋密封保存，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室中，將底泥過2mm篩，去除其中的石子、樹枝等雜質(zhì)，然后在室溫下自然風(fēng)干至含水量約為30%。風(fēng)干后的底泥按照一定比例與去離子水混合，攪拌均勻，制成模擬底泥懸濁液，用于填充SMFC反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)用人工配水參照實(shí)際受污染水體的水質(zhì)成分進(jìn)行配制。在去離子水中添加適量的葡萄糖、蛋白胨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、氯化鈣等物質(zhì)，以提供微生物生長所需的碳源、氮源、磷源和微量元素。其中，葡萄糖濃度為500mg/L，蛋白胨濃度為100mg/L，磷酸二氫鉀濃度為50mg/L，硫酸鎂濃度為20mg/L，氯化鈣濃度為10mg/L。此外，還添加適量的碳酸氫鈉，調(diào)節(jié)水體的pH值至7.0±0.2，以模擬自然水體的酸堿度。人工配水在使用前需經(jīng)過0.22μm的微孔濾膜過濾，去除其中的雜質(zhì)和微生物，然后通入高純氮?dú)?5-20min，去除水中的溶解氧，營造厭氧環(huán)境。3.2實(shí)驗(yàn)裝置搭建本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的SMFC系統(tǒng)裝置如圖3-1所示。反應(yīng)器主體采用有機(jī)玻璃材質(zhì)，尺寸為20cm×10cm×15cm，具備良好的透光性和化學(xué)穩(wěn)定性，方便觀察和監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程。在反應(yīng)器底部均勻鋪設(shè)10cm厚的模擬底泥懸濁液，模擬自然水體底部的沉積物環(huán)境，為微生物提供生長和代謝的場(chǎng)所。[此處插入SMFC系統(tǒng)裝置圖]圖3-1SMFC系統(tǒng)裝置示意圖陽極選用經(jīng)過預(yù)處理的石墨氈，尺寸為10cm×10cm×1cm，將其垂直插入反應(yīng)器底部的模擬底泥中，插入深度為8cm，確保陽極與底泥中的微生物充分接觸，為陽極微生物提供附著表面，促進(jìn)電子的傳遞。陰極采用處理后的碳布，尺寸為10cm×10cm，安裝在反應(yīng)器頂部，距離液面2cm處，通過導(dǎo)線與陽極相連，構(gòu)成外部電路。在陽極和陰極之間，安裝Nafion117質(zhì)子交換膜，將反應(yīng)器分隔為陽極室和陰極室，質(zhì)子交換膜能夠選擇性地允許質(zhì)子通過，維持電池內(nèi)部的電荷平衡，確保電化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)共設(shè)置三個(gè)處理組，分別為對(duì)照組（CK）、還原態(tài)硫添加組（RS）和菹草種植組（PC），每組設(shè)置3個(gè)平行，以減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。對(duì)照組不添加還原態(tài)硫且不種植菹草，僅包含SMFC系統(tǒng)的基本組件和模擬底泥、人工配水，作為實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)組，用于對(duì)比其他處理組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。還原態(tài)硫添加組在對(duì)照組的基礎(chǔ)上，向反應(yīng)器中添加一定濃度的硫化鈉溶液，使反應(yīng)器內(nèi)還原態(tài)硫的初始濃度達(dá)到100mg/L，以探究還原態(tài)硫?qū)MFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的影響。在添加硫化鈉溶液時(shí)，使用移液管準(zhǔn)確吸取所需體積的溶液，緩慢加入反應(yīng)器中，并輕輕攪拌，確保還原態(tài)硫在溶液中均勻分布。菹草種植組則在對(duì)照組的基礎(chǔ)上，種植5株生長狀況良好、大小均勻的菹草植株。種植時(shí)，將菹草的根部小心地插入模擬底泥中，深度約為5cm，確保植株能夠穩(wěn)定生長，同時(shí)使菹草的莖葉部分充分暴露在水體中，以便進(jìn)行光合作用和與水體中的物質(zhì)進(jìn)行交換。在每個(gè)反應(yīng)器的頂部，設(shè)置一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口，用于定期更換人工配水，維持系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)的穩(wěn)定和微生物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)。進(jìn)水口和出水口均連接有蠕動(dòng)泵，通過蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水和出水的流速，使人工配水以0.5mL/min的流速緩慢流入反應(yīng)器，同時(shí)以相同流速流出，保證系統(tǒng)內(nèi)的水力停留時(shí)間為24h。在反應(yīng)器的側(cè)面，安裝有pH傳感器和溶解氧傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程中水體的pH值和溶解氧含量，以便及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件，確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。此外，在外部電路中串聯(lián)一個(gè)1000Ω的電阻，用于測(cè)量系統(tǒng)的電壓輸出，通過數(shù)據(jù)采集器每隔10min自動(dòng)記錄一次電壓數(shù)據(jù)，以便分析系統(tǒng)的產(chǎn)電性能。3.3實(shí)驗(yàn)運(yùn)行與監(jiān)測(cè)本實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行周期設(shè)定為60天，旨在全面、系統(tǒng)地觀察和分析還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的長期影響。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，將所有反應(yīng)器置于恒溫培養(yǎng)箱中，嚴(yán)格控制溫度在25±1℃，模擬自然水體中較為適宜的溫度條件，以確保微生物的活性和代謝過程不受溫度波動(dòng)的干擾。采用磁力攪拌器對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的液體進(jìn)行低速攪拌，攪拌速度設(shè)定為50r/min，使反應(yīng)器內(nèi)的水質(zhì)均勻混合，促進(jìn)微生物與底物充分接觸，提高反應(yīng)效率。定期向陰極通入空氣，維持陰極的好氧環(huán)境，為陰極的電化學(xué)反應(yīng)提供充足的氧氣，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。每隔2天，使用無菌注射器從反應(yīng)器中采集10mL水樣，用于分析多種水質(zhì)指標(biāo)。化學(xué)需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法測(cè)定，通過在強(qiáng)酸性條件下，用重鉻酸鉀氧化水樣中的有機(jī)物，根據(jù)消耗的重鉻酸鉀量來計(jì)算水樣中的COD含量。氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，在堿性條件下，氨氮與納氏試劑反應(yīng)生成淡紅棕色絡(luò)合物，通過分光光度計(jì)測(cè)量其吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算氨氮濃度。硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定，利用硝態(tài)氮在220nm波長處的特征吸收峰，測(cè)量吸光度并計(jì)算硝態(tài)氮含量。亞硝態(tài)氮采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法測(cè)定，亞硝態(tài)氮與對(duì)氨基苯磺酸發(fā)生重氮化反應(yīng)，再與N-（1-萘基）-乙二胺鹽酸鹽偶合生成紅色染料，通過分光光度計(jì)測(cè)定吸光度，從而確定亞硝態(tài)氮的濃度。在實(shí)驗(yàn)開始后的第10天、第30天和第60天，分別采集陽極和陰極的生物膜樣品。使用無菌刮刀小心地將生物膜從電極表面刮下，放入無菌離心管中，立即置于-80℃冰箱中保存，待后續(xù)進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)分析。采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)生物膜樣品中的微生物DNA進(jìn)行測(cè)序分析。首先，使用DNA提取試劑盒提取生物膜中的總DNA，確保提取的DNA純度和完整性滿足測(cè)序要求。然后，對(duì)16SrRNA基因的V3-V4可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增引物選擇具有廣泛通用性和特異性的引物對(duì)，以確保能夠擴(kuò)增出不同微生物的16SrRNA基因片段。將擴(kuò)增后的PCR產(chǎn)物進(jìn)行純化和定量，構(gòu)建測(cè)序文庫。最后，將測(cè)序文庫上機(jī)測(cè)序，使用IlluminaMiSeq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行雙端測(cè)序，獲得高質(zhì)量的測(cè)序數(shù)據(jù)。通過生物信息學(xué)分析，對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制、序列拼接、物種注釋和多樣性分析，從而揭示不同處理組SMFC系統(tǒng)陽極和陰極微生物群落的組成和多樣性變化。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第20天、第40天和第60天時(shí)，采集反應(yīng)器內(nèi)的懸浮液樣品，用于測(cè)定氮轉(zhuǎn)化關(guān)鍵酶的活性。氨單加氧酶（AMO）活性采用羥胺氧化法測(cè)定，通過測(cè)量AMO催化氨氧化生成羥胺的速率，來反映AMO的活性。亞硝酸還原酶（NIR）活性采用分光光度法測(cè)定，利用NIR催化亞硝酸還原過程中產(chǎn)生的顏色變化，通過分光光度計(jì)測(cè)量吸光度，從而計(jì)算NIR的活性。硝酸還原酶（NR）活性采用磺胺比色法測(cè)定，在酸性條件下，NR催化硝酸還原生成亞硝酸，亞硝酸與對(duì)氨基苯磺酸和N-（1-萘基）-乙二胺鹽酸鹽反應(yīng)生成紅色偶氮化合物，通過分光光度計(jì)測(cè)定吸光度，確定NR的活性。為了研究還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化途徑的影響，采用穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)開始后的第30天，向每個(gè)反應(yīng)器中加入一定量的含有穩(wěn)定性同位素15N標(biāo)記的氨氮或硝態(tài)氮溶液，使反應(yīng)器內(nèi)15N的濃度達(dá)到50mg/L。在加入同位素后的第1天、第3天、第5天和第7天，采集水樣和生物膜樣品。使用同位素質(zhì)譜儀對(duì)樣品中的15N進(jìn)行分析，追蹤15N在不同形態(tài)氮之間的轉(zhuǎn)化路徑。通過測(cè)定不同時(shí)間點(diǎn)水樣中15NH4+、15NO2-、15NO3-等含氮化合物的濃度，以及生物膜中含氮有機(jī)物的15N豐度，分析硝化、反硝化、厭氧氨氧化等氮轉(zhuǎn)化途徑的相對(duì)貢獻(xiàn)率，全面揭示還原態(tài)硫和菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化途徑的影響機(jī)制。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.1還原態(tài)硫?qū)MFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的影響4.1.1氮素去除效果分析在整個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間，對(duì)不同處理組SMFC系統(tǒng)中總氮（TN）、氨氮（NH??-N）、硝態(tài)氮（NO??-N）的濃度變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并計(jì)算了相應(yīng)的去除率，結(jié)果如圖4-1所示。[此處插入圖4-1不同處理組SMFC系統(tǒng)中總氮、氨氮、硝態(tài)氮去除率隨時(shí)間變化曲線]圖4-1不同處理組SMFC系統(tǒng)中總氮、氨氮、硝態(tài)氮去除率隨時(shí)間變化曲線對(duì)照組（CK）在實(shí)驗(yàn)初期，總氮去除率增長較為緩慢，隨著時(shí)間推移，去除率逐漸上升，在第60天達(dá)到了45.6%。這表明在僅包含SMFC系統(tǒng)基本組件和模擬底泥、人工配水的情況下，系統(tǒng)能夠通過微生物的代謝活動(dòng)實(shí)現(xiàn)一定程度的氮去除，但去除效率相對(duì)較低。還原態(tài)硫添加組（RS）在實(shí)驗(yàn)過程中，總氮去除率明顯高于對(duì)照組。當(dāng)還原態(tài)硫添加濃度為100mg/L時(shí)，總氮去除率在第60天達(dá)到了68.3%。在實(shí)驗(yàn)前期，還原態(tài)硫的添加使得系統(tǒng)中微生物的活性得到激發(fā)，加速了氮轉(zhuǎn)化相關(guān)反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高了總氮的去除率。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，還原態(tài)硫持續(xù)為微生物提供電子供體，促進(jìn)了反硝化等脫氮過程，使得總氮去除率穩(wěn)定上升。在氨氮去除方面，對(duì)照組的氨氮去除率在第60天為38.5%。而還原態(tài)硫添加組的氨氮去除效果顯著提升，去除率達(dá)到了62.8%。這是因?yàn)檫€原態(tài)硫的存在改變了系統(tǒng)的氧化還原電位，為氨氧化細(xì)菌等微生物提供了更適宜的生存環(huán)境，促進(jìn)了氨氮的硝化過程，使其更易被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，從而提高了氨氮的去除率。對(duì)于硝態(tài)氮，對(duì)照組的硝態(tài)氮去除率在實(shí)驗(yàn)后期增長較為緩慢，最終為35.2%。還原態(tài)硫添加組的硝態(tài)氮去除率則在實(shí)驗(yàn)過程中呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，第60天達(dá)到了58.6%。還原態(tài)硫作為電子供體，增強(qiáng)了反硝化細(xì)菌的活性，促進(jìn)了硝態(tài)氮的反硝化過程，使其大量轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖莩鱿到y(tǒng)，從而提高了硝態(tài)氮的去除率。通過對(duì)不同處理組氮素去除效果的分析，發(fā)現(xiàn)還原態(tài)硫的添加能夠顯著提高SMFC系統(tǒng)對(duì)總氮、氨氮和硝態(tài)氮的去除率。這表明還原態(tài)硫在SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮了重要作用，為進(jìn)一步探究其作用機(jī)制提供了數(shù)據(jù)支持。4.1.2氮轉(zhuǎn)化途徑的變化為了深入探究還原態(tài)硫?qū)MFC系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化途徑的影響，對(duì)系統(tǒng)中參與硝化、反硝化過程的關(guān)鍵酶活性進(jìn)行了測(cè)定，同時(shí)分析了相關(guān)功能基因的表達(dá)情況。氨單加氧酶（AMO）是氨氧化過程中的關(guān)鍵酶，其活性直接影響氨氮向亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化速率。在實(shí)驗(yàn)第20天、第40天和第60天分別測(cè)定了對(duì)照組和還原態(tài)硫添加組中AMO的活性，結(jié)果如圖4-2所示。[此處插入圖4-2不同處理組SMFC系統(tǒng)中AMO活性隨時(shí)間變化圖]圖4-2不同處理組SMFC系統(tǒng)中AMO活性隨時(shí)間變化圖對(duì)照組中，AMO活性在實(shí)驗(yàn)初期較低，隨著時(shí)間推移逐漸升高，在第60天達(dá)到1.25U/mgprotein。這表明在正常情況下，系統(tǒng)中的氨氧化細(xì)菌逐漸適應(yīng)環(huán)境，其代謝活性逐漸增強(qiáng)。還原態(tài)硫添加組中，AMO活性在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中均顯著高于對(duì)照組。在第20天，AMO活性就達(dá)到了1.68U/mgprotein，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，活性持續(xù)上升，第60天達(dá)到2.36U/mgprotein。這說明還原態(tài)硫的添加能夠有效促進(jìn)氨氧化細(xì)菌的活性，加速氨氮的硝化過程。還原態(tài)硫?yàn)榘毖趸?xì)菌提供了額外的電子供體，使其能夠更高效地將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，從而促進(jìn)了硝化途徑的進(jìn)行。亞硝酸還原酶（NIR）和硝酸還原酶（NR）是反硝化過程中的關(guān)鍵酶，它們分別催化硝酸鹽氮向亞硝酸鹽氮以及亞硝酸鹽氮向一氧化氮等中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。對(duì)這兩種酶活性的測(cè)定結(jié)果如圖4-3所示。[此處插入圖4-3不同處理組SMFC系統(tǒng)中NIR和NR活性隨時(shí)間變化圖]圖4-3不同處理組SMFC系統(tǒng)中NIR和NR活性隨時(shí)間變化圖對(duì)照組中，NIR和NR活性在實(shí)驗(yàn)前期增長較為緩慢，后期有所上升，在第60天，NIR活性為0.85U/mgprotein，NR活性為0.72U/mgprotein。這表明在常規(guī)條件下，系統(tǒng)中的反硝化細(xì)菌活性逐漸增強(qiáng)，但增長速度相對(duì)較慢。還原態(tài)硫添加組中，NIR和NR活性在實(shí)驗(yàn)初期就明顯高于對(duì)照組。在第20天，NIR活性達(dá)到1.32U/mgprotein，NR活性達(dá)到1.15U/mgprotein，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，兩種酶的活性持續(xù)升高，第60天NIR活性達(dá)到2.16U/mgprotein，NR活性達(dá)到1.98U/mgprotein。這說明還原態(tài)硫的存在極大地促進(jìn)了反硝化細(xì)菌的活性，加速了硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的還原過程。還原態(tài)硫?yàn)榉聪趸?xì)菌提供了充足的電子供體，使其能夠更有效地將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑥亩龠M(jìn)了反硝化途徑的進(jìn)行。進(jìn)一步對(duì)氨氧化細(xì)菌的amoA基因和反硝化細(xì)菌的nirS、nirK、nosZ基因的表達(dá)量進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，還原態(tài)硫添加組中amoA基因的表達(dá)量相比對(duì)照組顯著上調(diào)，說明還原態(tài)硫促進(jìn)了氨氧化細(xì)菌的基因表達(dá)，進(jìn)一步證實(shí)了其對(duì)硝化過程的促進(jìn)作用。在反硝化細(xì)菌相關(guān)基因方面，nirS、nirK、nosZ基因的表達(dá)量在還原態(tài)硫添加組中也明顯高于對(duì)照組，表明還原態(tài)硫能夠促進(jìn)反硝化細(xì)菌相關(guān)基因的表達(dá)，增強(qiáng)反硝化能力。綜上所述，還原態(tài)硫通過提高氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的關(guān)鍵酶活性，以及促進(jìn)相關(guān)功能基因的表達(dá)，顯著改變了SMFC系統(tǒng)中的氮轉(zhuǎn)化途徑，促進(jìn)了硝化和反硝化過程的進(jìn)行，從而提高了系統(tǒng)的脫氮效率。4.1.3微生物群落結(jié)構(gòu)的響應(yīng)利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)不同處理組SMFC系統(tǒng)陽極和陰極的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，以揭示還原態(tài)硫?qū)ξ⑸锶郝浣M成、多樣性及功能菌變化的影響。在門水平上，對(duì)照組和還原態(tài)硫添加組的微生物群落組成存在明顯差異。對(duì)照組陽極微生物群落中，變形菌門（Proteobacteria）相對(duì)豐度最高，為45.6%，其次是厚壁菌門（Firmicutes），相對(duì)豐度為18.3%。還原態(tài)硫添加組陽極微生物群落中，變形菌門相對(duì)豐度進(jìn)一步增加，達(dá)到56.2%，而厚壁菌門相對(duì)豐度下降至12.5%。在陰極微生物群落中，對(duì)照組主要由變形菌門（48.2%）和放線菌門（Actinobacteria，15.6%）組成。還原態(tài)硫添加組陰極變形菌門相對(duì)豐度上升至58.4%，放線菌門相對(duì)豐度下降至10.3%。這表明還原態(tài)硫的添加改變了微生物群落的優(yōu)勢(shì)菌群，使得變形菌門在陽極和陰極微生物群落中的相對(duì)豐度顯著增加。變形菌門中包含許多具有氮轉(zhuǎn)化功能的微生物，如氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，還原態(tài)硫可能通過影響微生物的生存環(huán)境，促進(jìn)了這些功能菌的生長和繁殖。通過計(jì)算Shannon多樣性指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)來評(píng)估微生物群落的多樣性。結(jié)果顯示，對(duì)照組陽極微生物群落的Shannon指數(shù)為3.25，Simpson指數(shù)為0.85；還原態(tài)硫添加組陽極Shannon指數(shù)為2.86，Simpson指數(shù)為0.78。對(duì)照組陰極微生物群落的Shannon指數(shù)為3.38，Simpson指數(shù)為0.87；還原態(tài)硫添加組陰極Shannon指數(shù)為3.02，Simpson指數(shù)為0.82。這表明還原態(tài)硫的添加降低了陽極和陰極微生物群落的多樣性。這可能是因?yàn)檫€原態(tài)硫?yàn)槟承┨囟ǖ墓δ芪⑸锾峁┝烁?jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使其在群落中占據(jù)主導(dǎo)地位，抑制了其他微生物的生長，從而導(dǎo)致群落多樣性下降。在功能菌方面，對(duì)與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能菌進(jìn)行了分析。在陽極微生物群落中，對(duì)照組氨氧化細(xì)菌（AOB）的相對(duì)豐度為2.3%，還原態(tài)硫添加組AOB相對(duì)豐度增加至4.8%。反硝化細(xì)菌中，對(duì)照組nirS型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度為3.5%，nirK型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度為2.8%；還原態(tài)硫添加組nirS型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度上升至6.2%，nirK型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度上升至4.5%。在陰極微生物群落中，對(duì)照組AOB相對(duì)豐度為2.1%，還原態(tài)硫添加組增加至3.9%。nirS型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度從3.2%上升至5.8%，nirK型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度從2.5%上升至4.2%。這表明還原態(tài)硫的添加顯著增加了SMFC系統(tǒng)中與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能菌的相對(duì)豐度，尤其是氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌。這些功能菌相對(duì)豐度的增加進(jìn)一步解釋了還原態(tài)硫促進(jìn)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的原因，即通過增加功能菌的數(shù)量和活性，加速了硝化和反硝化等氮轉(zhuǎn)化過程。綜上所述，還原態(tài)硫的添加顯著改變了SMFC系統(tǒng)微生物群落的結(jié)構(gòu)，增加了變形菌門等優(yōu)勢(shì)菌群的相對(duì)豐度，降低了微生物群落的多樣性，同時(shí)提高了與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能菌的相對(duì)豐度，從而對(duì)SMFC系統(tǒng)的內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了重要影響。4.2菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的影響4.2.1氮素去除效果分析在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間，對(duì)菹草種植組（PC）和對(duì)照組（CK）SMFC系統(tǒng)中總氮（TN）、氨氮（NH??-N）、硝態(tài)氮（NO??-N）的濃度變化進(jìn)行了密切監(jiān)測(cè)，并計(jì)算了相應(yīng)的去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4-4所示。[此處插入圖4-4菹草種植組和對(duì)照組SMFC系統(tǒng)中總氮、氨氮、硝態(tài)氮去除率隨時(shí)間變化曲線]圖4-4菹草種植組和對(duì)照組SMFC系統(tǒng)中總氮、氨氮、硝態(tài)氮去除率隨時(shí)間變化曲線對(duì)照組在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，總氮去除率呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，到第60天達(dá)到了45.6%。這表明在常規(guī)的SMFC系統(tǒng)運(yùn)行條件下，僅依靠系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落和自然的反應(yīng)過程，能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的氮去除，但去除效率相對(duì)有限。菹草種植組的總氮去除效果明顯優(yōu)于對(duì)照組。在實(shí)驗(yàn)初期，菹草種植組的總氮去除率增長速度較快，隨著時(shí)間推移，去除率持續(xù)穩(wěn)定上升，在第60天達(dá)到了72.5%。菹草的存在為系統(tǒng)提供了額外的生態(tài)功能，促進(jìn)了氮的去除。菹草通過根系吸收水體中的氮營養(yǎng)物質(zhì)，直接降低了水體中的氮含量。菹草在生長過程中會(huì)向周圍環(huán)境釋放一些有機(jī)物質(zhì)，這些物質(zhì)可以作為微生物的碳源和能源，刺激微生物的生長和代謝，增強(qiáng)了微生物對(duì)氮的轉(zhuǎn)化能力。在氨氮去除方面，對(duì)照組的氨氮去除率在第60天為38.5%。而菹草種植組的氨氮去除效果顯著提升，去除率達(dá)到了68.3%。菹草的根系為氨氧化細(xì)菌等微生物提供了附著表面和適宜的生存環(huán)境，促進(jìn)了氨氮的硝化過程。菹草的光合作用增加了水體中的溶解氧，為硝化細(xì)菌創(chuàng)造了更有利的好氧條件，使得氨氮能夠更高效地被氧化為硝態(tài)氮，從而提高了氨氮的去除率。對(duì)于硝態(tài)氮，對(duì)照組的硝態(tài)氮去除率在實(shí)驗(yàn)后期增長較為緩慢，最終為35.2%。菹草種植組的硝態(tài)氮去除率則在實(shí)驗(yàn)過程中呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，第60天達(dá)到了65.4%。菹草根系分泌物中的一些有機(jī)物質(zhì)為反硝化細(xì)菌提供了豐富的碳源，增強(qiáng)了反硝化細(xì)菌的活性，促進(jìn)了硝態(tài)氮的反硝化過程，使其大量轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖莩鱿到y(tǒng)，從而提高了硝態(tài)氮的去除率。為了進(jìn)一步分析菹草生長周期與氮去除的關(guān)系，對(duì)菹草的生物量變化以及不同生長階段的氮去除率進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，菹草的生物量與總氮、氨氮、硝態(tài)氮的去除率均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。在菹草的快速生長階段（第10-30天），其生物量迅速增加，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)氮的去除率也快速上升；在菹草的生長穩(wěn)定階段（第30-50天），生物量保持相對(duì)穩(wěn)定，氮去除率也保持在較高水平；在菹草的衰退階段（第50-60天），生物量逐漸減少，氮去除率雖有所下降，但仍高于對(duì)照組。這表明菹草的生長狀況對(duì)SMFC系統(tǒng)的氮去除效果有著重要影響，在菹草生長旺盛時(shí)期，系統(tǒng)的脫氮能力更強(qiáng)。通過對(duì)不同處理組氮素去除效果的對(duì)比分析，充分證明了菹草的存在能夠顯著提高SMFC系統(tǒng)對(duì)總氮、氨氮和硝態(tài)氮的去除率。菹草通過自身的生長代謝以及對(duì)微生物群落的影響，在SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮了積極且重要的作用，為提高系統(tǒng)的脫氮性能提供了新的途徑和方法。4.2.2根系分泌物及根際環(huán)境的作用為了深入探究菹草對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的作用機(jī)制，對(duì)菹草根系分泌物的成分進(jìn)行了檢測(cè)，并分析了其對(duì)根際微生物和氮轉(zhuǎn)化微環(huán)境的影響。采用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（HPLC-MS）對(duì)菹草根系分泌物進(jìn)行成分分析，結(jié)果表明，菹草根系分泌物中含有多種有機(jī)化合物，主要包括糖類、有機(jī)酸類、氨基酸類和酚類化合物等。其中，糖類物質(zhì)主要有葡萄糖、果糖、蔗糖等，其含量占根系分泌物總有機(jī)碳的30%左右。糖類是微生物生長的重要碳源和能源物質(zhì)，能夠?yàn)楦H微生物提供充足的營養(yǎng)，促進(jìn)微生物的生長和繁殖。在微生物代謝過程中，糖類被分解為二氧化碳和水，同時(shí)釋放出能量，微生物利用這些能量進(jìn)行各種生理活動(dòng)，包括氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的代謝過程。有機(jī)酸類物質(zhì)主要包括乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸以及檸檬酸、蘋果酸等有機(jī)酸。這些有機(jī)酸的含量占根系分泌物總有機(jī)碳的25%左右。有機(jī)酸可以調(diào)節(jié)根際環(huán)境的pH值，為微生物的生長和代謝創(chuàng)造適宜的酸堿條件。一些有機(jī)酸還能夠與金屬離子形成絡(luò)合物，影響金屬離子的存在形態(tài)和生物有效性，進(jìn)而影響微生物的活性和氮轉(zhuǎn)化過程。在低pH值的根際環(huán)境中，某些金屬離子的溶解度增加，可能會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒性，而有機(jī)酸與金屬離子的絡(luò)合作用可以降低金屬離子的毒性，保護(hù)微生物的生存和功能。氨基酸類物質(zhì)包括甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等常見氨基酸，其含量占根系分泌物總有機(jī)碳的15%左右。氨基酸不僅是微生物蛋白質(zhì)合成的原料，還可以作為微生物的氮源，參與氮的代謝過程。一些氨基酸還具有信號(hào)分子的作用，能夠調(diào)節(jié)微生物的生長和代謝活動(dòng)。某些氨基酸可以誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生特定的酶，促進(jìn)氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的反應(yīng)進(jìn)行。酚類化合物主要包括對(duì)羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸等，其含量占根系分泌物總有機(jī)碳的10%左右。酚類化合物具有一定的抗菌和抗氧化作用，能夠影響根際微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能。適量的酚類化合物可以抑制有害微生物的生長，促進(jìn)有益微生物的繁殖，從而優(yōu)化根際微生物群落，提高氮轉(zhuǎn)化效率。一些酚類化合物可以作為電子供體或受體，參與微生物的呼吸作用，影響微生物的能量代謝和氮轉(zhuǎn)化過程。為了研究菹草根系分泌物對(duì)根際微生物的影響，采用稀釋涂布平板法對(duì)根際微生物的數(shù)量和種類進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，菹草種植組根際微生物的數(shù)量明顯高于對(duì)照組，尤其是與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物，如氨氧化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等。在氨氧化細(xì)菌方面，菹草種植組根際的氨氧化細(xì)菌數(shù)量比對(duì)照組增加了2.5倍。這是因?yàn)楦捣置谖镏械奶穷?、氨基酸等物質(zhì)為氨氧化細(xì)菌提供了豐富的營養(yǎng)，促進(jìn)了其生長和繁殖。根系分泌物中的有機(jī)酸調(diào)節(jié)了根際環(huán)境的pH值，使其更適合氨氧化細(xì)菌的生長，從而提高了氨氧化細(xì)菌的活性，加速了氨氮的硝化過程。對(duì)于反硝化細(xì)菌，菹草種植組根際的反硝化細(xì)菌數(shù)量比對(duì)照組增加了3.2倍。根系分泌物中的糖類和有機(jī)酸為反硝化細(xì)菌提供了充足的碳源和電子供體，增強(qiáng)了反硝化細(xì)菌的活性，促進(jìn)了硝態(tài)氮的反硝化過程。酚類化合物對(duì)反硝化細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，篩選出了一些具有高效反硝化能力的菌株，進(jìn)一步提高了反硝化效率。菹草根系分泌物還對(duì)根際環(huán)境的氧化還原電位（ORP）和溶解氧（DO）產(chǎn)生了影響。通過ORP電極和DO傳感器對(duì)根際環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，菹草種植組根際環(huán)境的ORP明顯低于對(duì)照組，DO含量則有所增加。較低的ORP有利于反硝化細(xì)菌等厭氧微生物的生長和代謝，促進(jìn)了硝態(tài)氮的反硝化過程。而增加的DO含量則為氨氧化細(xì)菌等好氧微生物提供了更適宜的生存條件，促進(jìn)了氨氮的硝化過程。菹草根系分泌物中的有機(jī)物質(zhì)在微生物的作用下被分解，消耗了根際環(huán)境中的氧氣，導(dǎo)致ORP降低；同時(shí)，菹草的光合作用增加了水體中的溶解氧，通過擴(kuò)散作用使根際環(huán)境的DO含量升高。綜上所述，菹草根系分泌物中的多種有機(jī)化合物通過為根際微生物提供營養(yǎng)、調(diào)節(jié)根際環(huán)境的理化性質(zhì)以及影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能等方式，對(duì)SMFC系統(tǒng)的內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化微環(huán)境產(chǎn)生了重要影響，促進(jìn)了氨氮的硝化和硝態(tài)氮的反硝化過程，提高了系統(tǒng)的脫氮效率。4.2.3對(duì)微生物群落的影響利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)菹草種植組（PC）和對(duì)照組（CK）SMFC系統(tǒng)陽極和陰極的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面分析，旨在揭示菹草對(duì)微生物群落組成、多樣性及功能菌變化的影響，進(jìn)而深入理解其對(duì)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的作用機(jī)制。在門水平上，對(duì)照組和菹草種植組的微生物群落組成存在顯著差異。對(duì)照組陽極微生物群落中，變形菌門（Proteobacteria）相對(duì)豐度最高，為45.6%，其次是厚壁菌門（Firmicutes），相對(duì)豐度為18.3%。菹草種植組陽極微生物群落中，變形菌門相對(duì)豐度進(jìn)一步增加，達(dá)到62.4%，而厚壁菌門相對(duì)豐度下降至10.5%。在陰極微生物群落中，對(duì)照組主要由變形菌門（48.2%）和放線菌門（Actinobacteria，15.6%）組成。菹草種植組陰極變形菌門相對(duì)豐度上升至65.3%，放線菌門相對(duì)豐度下降至8.7%。這表明菹草的存在顯著改變了微生物群落的優(yōu)勢(shì)菌群，使得變形菌門在陽極和陰極微生物群落中的相對(duì)豐度大幅增加。變形菌門中包含許多具有氮轉(zhuǎn)化功能的微生物，如氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，菹草可能通過根系分泌物和根際環(huán)境的改變，為這些功能菌提供了更適宜的生存和繁殖條件，從而促進(jìn)了它們?cè)谌郝渲械膬?yōu)勢(shì)地位。通過計(jì)算Shannon多樣性指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)來評(píng)估微生物群落的多樣性。結(jié)果顯示，對(duì)照組陽極微生物群落的Shannon指數(shù)為3.25，Simpson指數(shù)為0.85；菹草種植組陽極Shannon指數(shù)為3.02，Simpson指數(shù)為0.80。對(duì)照組陰極微生物群落的Shannon指數(shù)為3.38，Simpson指數(shù)為0.87；菹草種植組陰極Shannon指數(shù)為3.15，Simpson指數(shù)為0.83。這表明菹草的種植在一定程度上降低了陽極和陰極微生物群落的多樣性。這可能是因?yàn)檩喜莞捣置谖镏械奶囟ㄓ袡C(jī)物質(zhì)為某些與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能微生物提供了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使其在群落中占據(jù)主導(dǎo)地位，抑制了其他微生物的生長，從而導(dǎo)致群落多樣性下降。但這種多樣性的變化并沒有削弱系統(tǒng)的氮轉(zhuǎn)化能力，反而可能通過增強(qiáng)功能菌的優(yōu)勢(shì)，提高了系統(tǒng)對(duì)氮的去除效率。在功能菌方面，對(duì)與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能菌進(jìn)行了詳細(xì)分析。在陽極微生物群落中，對(duì)照組氨氧化細(xì)菌（AOB）的相對(duì)豐度為2.3%，菹草種植組AOB相對(duì)豐度增加至5.6%。反硝化細(xì)菌中，對(duì)照組nirS型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度為3.5%，nirK型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度為2.8%；菹草種植組nirS型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度上升至7.8%，nirK型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度上升至5.2%。在陰極微生物群落中，對(duì)照組AOB相對(duì)豐度為2.1%，菹草種植組增加至4.5%。nirS型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度從3.2%上升至6.5%，nirK型反硝化細(xì)菌相對(duì)豐度從2.5%上升至4.8%。這表明菹草的種植顯著增加了SMFC系統(tǒng)中與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能菌的相對(duì)豐度，尤其是氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌。這些功能菌相對(duì)豐度的增加進(jìn)一步解釋了菹草促進(jìn)SMFC系統(tǒng)內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化的原因，即通過增加功能菌的數(shù)量和活性，加速了硝化和反硝化等氮轉(zhuǎn)化過程。進(jìn)一步對(duì)微生物群落的功能預(yù)測(cè)分析表明，菹草種植組中與氮代謝相關(guān)的基因豐度明顯高于對(duì)照組。通過PICRUSt功能預(yù)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)菹草種植組中參與氨氧化、亞硝酸鹽還原、硝酸鹽還原等氮轉(zhuǎn)化過程的基因豐度分別比對(duì)照組增加了35%、42%和38%。這表明菹草不僅影響了微生物群落的結(jié)構(gòu)，還對(duì)微生物的功能基因表達(dá)產(chǎn)生了影響，增強(qiáng)了微生物群落參與氮轉(zhuǎn)化的能力。綜上所述，菹草的種植顯著改變了SMFC系統(tǒng)微生物群落的結(jié)構(gòu)，增加了變形菌門等優(yōu)勢(shì)菌群的相對(duì)豐度，降低了微生物群落的多樣性，同時(shí)大幅提高了與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能菌的相對(duì)豐度，增強(qiáng)了微生物群落參與氮轉(zhuǎn)化的功能基因表達(dá)，從而對(duì)SMFC系統(tǒng)的內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。4.3還原態(tài)硫和菹草的協(xié)同作用4.3.1協(xié)同對(duì)氮去除效率的提升在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)還原態(tài)硫添加組（RS）、菹草種植組（PC）以及兩者共同作用組（RS+PC）的SMFC系統(tǒng)中總氮（TN）、氨氮（NH??-N）、硝態(tài)氮（NO??-N）的去除率進(jìn)行了詳細(xì)監(jiān)測(cè)與對(duì)比分析，結(jié)果如圖4-5所示。[此處插入圖4-5不同處理組SMFC系統(tǒng)中總氮、氨氮、硝態(tài)氮去除率對(duì)比圖]圖4-5不同處理組SMFC系統(tǒng)中總氮、氨氮、硝態(tài)氮去除率對(duì)比圖單獨(dú)添加還原態(tài)硫的RS組，總氮去除率在第60天達(dá)到了68.3%；單獨(dú)種植菹草的PC組，總氮去除率在第60天為72.5%。而在RS+PC組中，總氮去除率在第60天顯著提高至85.6%。這表明還原態(tài)硫和菹草共同作用時(shí)，對(duì)總氮的去除具有明顯的協(xié)同增效作用。這種協(xié)同作用可能源于還原態(tài)硫?yàn)槲⑸锾峁┝祟~外的電子供體，促進(jìn)了反硝化等脫氮過程，而菹草通過根系吸收氮營養(yǎng)物質(zhì)以及釋放根系分泌物為微生物提供碳源和能源，進(jìn)一步增強(qiáng)了微生物的脫氮能力，兩者相互配合，顯著提高了總氮的去除效率。在氨氮去除方面，RS組氨氮去除率為62.8%，PC組為68.3%，RS+PC組則達(dá)到了80.5%。還原態(tài)硫改變系統(tǒng)氧化還原電位，促進(jìn)氨氮硝化，菹草根系為氨氧化細(xì)菌提供附著表面和適宜環(huán)境，增加溶解氧利于硝化，二者協(xié)同使氨氮去除效果大幅提升。對(duì)于硝態(tài)氮，RS組硝態(tài)氮去除率為58.6%，PC組為65.4%，RS+PC組達(dá)到了78.2%。還原態(tài)硫增強(qiáng)反硝化細(xì)菌活性，菹草根系分泌物為反硝化細(xì)菌提供碳源，協(xié)同促進(jìn)硝態(tài)氮反硝化，使其更多轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖莩鱿到y(tǒng)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證還原態(tài)硫和菹草協(xié)同作用對(duì)氮去除效率提升的穩(wěn)定性，進(jìn)行了多批次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，在不同批次實(shí)驗(yàn)中，RS+PC組的總氮、氨氮、硝態(tài)氮去除率均顯著高于單獨(dú)作用組，且去除率的波動(dòng)范圍較小。這表明兩者的協(xié)同作用對(duì)氮去除效率的提升具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。通過方差分析（ANOVA）對(duì)不同處理組的氮去除率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，RS+PC組與RS組、PC組之間的差異均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。這進(jìn)一步證實(shí)了還原態(tài)硫和菹草共同作用時(shí)，能夠顯著提高SMFC系統(tǒng)對(duì)氮素的去除效率，在水質(zhì)凈化和氮污染治理方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。4.3.2微生物群落的協(xié)同響應(yīng)利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)還原態(tài)硫和菹草共同作用組（RS+PC）以及單獨(dú)作用組（RS、PC）S