好氧-厌氧混合污泥启动微生物燃料电池产电性能及微生物群落动态特征-尹亚琳

ＲesearchPaper研究报告微生物学报ActaMicrobiologicaSinica54(12):1471－1480;4December2014ISSN0001－6209;CN11－1995/Qhttp://journals．im．ac．cn/actamicrocndoi:10.13343/j．cnki．wsxb．2014.12.010基金项目:山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2011NJ018);国家自然科学基金(40801193);中国海洋大学本科生研究发展计划(1312011006)*通信作者。Tel:+86-532-66786568;E-mail:ygzhao@ouc．edu．cn作者简介:(1990－)，女，山东临沂人，硕士研究生，主要从事废水处理资源化研究。E-mail:504225199@qq．com收稿日期:2014-03-17;修回日期:2014-06-13好氧－厌氧混合污泥启动微生物燃料电池产电性能及微生物群落动态特征尹亚琳1，高崇洋2，赵阳国1，3*，王爱杰2，王敏1，闫凯丽11中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛2661002哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨1500903中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100摘要:【目的】为探讨好氧－厌氧混合污泥启动微生物燃料电池(Microbialfuelcell，MFC)产电性能以及MFC对微生物群落的选择作用，【方法】以乳酸为底物，应用不依赖于培养的微生物分子生物学技术解析单室MFC启动过程中微生物群落的组成和结构动态学特征。【结果】结果表明，MFC经过3个周期启动成功，最高输出电压230mV。当MFC外电阻为1656Ω时，最大功率密度11.15W/m3，电池运行稳定。混合污泥启动MFC以后，阳极生物膜微生物群落结构同种泥差异较大，且多样性降低。生物膜中微生物类群按丰度依次为β-变形菌纲(Betaproteobacteria)24.90%、拟杆菌门(Bacteroidetes)21.30%、厚壁菌门(Firmicutes)9.70%、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)8.50%、δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)7.90%、绿弯菌门(Chloroflexi)4.20%以及α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)3.60%。有利于生物膜形成与稳定的动胶菌属(Zoogloea)和不动杆菌属(Acinetobacter)序列丰度分别占生物膜群落的5.00%和3.90%，与MFC产电能力直接相关的地杆菌属(Geobacter)序列由混合污泥中的0.60%上升至阳极生物膜中的2.60%。【结论】本研究表明，MFC阳极生物膜在驯化过程中对污泥中的微生物进行淘汰和选择，最终驯化形成了有利于生物膜形成与稳定、有机物厌氧发酵与产电的微生物菌群。关键词:微生物燃料电池，混合污泥，变性梯度凝胶电泳，高通量测序，微生物群落中图分类号:Q938，X703文章编号:0001-6209(2014)12-1471-10微生物燃料电池(Microbialfuelcells，MFCs)是一种以微生物为催化剂，在厌氧条件下将有机物中的化学能转化为电能的装置。在MFC中，微生物氧化降解有机物，有机物分解获得的电子通过电子传递链传递到细胞外，直接或间接地将电子传递到阳极上，经过外电路产生电流［1］。MFC具有燃烧效率高、燃料来源广泛、反应条件温和、环保无污染等优点，有望成为提供清洁能源、实现资源可持续利用的重要手段，已经成为近年来的研究热点［2］。YalinYinetal．/ActaMicrobiologicaSinica(2014)54(12)MFC的启动是MFC运行成败的关键，而污泥种类和来源对MFC启动速度和产电效果有显著影响。Lobato等［3］研究表明，以厌氧污泥为种泥的MFC启动比好氧污泥大约快10d，且产电效能好于好氧污泥。Quan等［4］用好氧活性污泥和厌氧污泥启动双室微生物燃料电池，发现厌氧污泥启动的MFC最高电压为0.38V，好氧污泥启动的MFC电压为0.25V;然而，当以乙醇为底物时，好氧污泥的功率密度比厌氧污泥的功率密度高，有研究也获得了类似结果［5］。实际上，好氧、厌氧污泥中均存在利于污水厌氧处理产电的微生物种群，若将两种污泥混合后启动厌氧反应器(或MFC)，或可能取得更好的效果。MFC启动过程实际是在阳极富集有机物降解和电极活性菌的过程，阳极生物膜微生物群落的种类和组成是MFC效能的基础，为了提高MFC的产电效能，深入分析产电微生物的群落的组成、结构等动态学特征具有重要实践意义。变性梯度凝胶电泳(Denaturinggradientgelelectrophoresis