电驱动下的环境污染物厌氧生物转化-电子转移原理和应用实例-冯春华

电驱动下的环境污染物厌氧生物转化—电子转移原理和应用实例冯春华*，谢道海，庞韵梦，韩涛，韦朝海(华南理工大学工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点室，污染控制与生态修复广东省普通高等学校重点实验室，环境科学与能源学院，广东广州510006)摘要：厌氧环境下一些微生物能够接受来自于电极的电子并将电子传递至环境污染物，这使得电驱动下生物还原技术在可持续性废水处理以及生物修复方面受到越来越多关注.此体系中，阴极电子传递被认为是影响环境污染物厌氧转化可行性和效率的制约因素.文中首先评述可能的电子传递原理，包括水解氢气介导的间接电子传递、人工合成电子穿梭体或者细菌分泌电子穿梭体介导的间接电子传递、以及电极与细菌之间的直接电子传递等途径.相比间接电子传递，直接电子传递避免了将电子传递给没有起作用的介体及没有和电极接触的浮游微生物，因而更加节能.另外，列举了自养反硝化、生物还原脱氯、重金属生物还原、CO2生物还原以及硫酸盐生物还原等应用实例.最后，提出了此领域研究发展亟需解决的两个重要问题，包括阴极生物膜的培养以及电子从电极转至微生物内在机理的解析.关键词：微生物电化学反应器；厌氧生物还原；环境污染物；生物阴极；电驱动中图分类号：O646.54文献标识码：A微生物电化学技术涉及到环境微生物、电化学、能源、材料等交叉学科，因其在微生物产电[1-2]、微生物电化学制氢[3-4]、微生物电化学修复[5-6]等方面表现出能耗物耗少、操作成本低等特性而受到广泛关注.与传统的微生物技术相比，借助于微生物与电化学相互耦合，微生物电化学技术在环境污染物转化方面展现出优势.微生物与电化学耦合的核心思想是：微生物在外加电场作用下突破微生物反应的动力学和热力学限制，也可以从另外一个角度理解为微生物作为污染物电化学反应的“生物电催化剂”，二者最终目的都是实现污染物的加速降解.厌氧环境条件下，微生物与电极之间的电子流动包括正反两个方向：其一是电极（通常称为阳极）接受来自微生物的电子使得某些有机或者无机污染物发生厌氧氧化过程；其二是电极（通常称为阴极）提供电子支撑微生物的呼吸过程使得某些有机或者无机污染物发生厌氧还原过程.电子在微生物和电极之间的双向流动具备重要意义，不仅因为电极与微生物之间的相互作用是微生物呼吸的一种独特的方式，对这种方式的逐渐认识能够加深人们对自然中环境微生物的理解，还因为细菌消耗或者生产电子的能力使得其在生物修复或者生物产电方面具备应用前景.通过嗜阳极菌促使废水中有机污染物电子释放，并被电极收集的微生物燃料电池（MicorbialFuelCell，MFC）技术被认为是极具前景的废水生物处理兼生物产电技术，过去的十几年已有大量的文献报道[1-2,7].但是MFC发展受到两个关键问题制约：输出功率密度低（目前报道的大部分数值比传统氢氧燃料电池功率密度低3~4个数量级）和工程放大问题多（包括成本、长期运行稳定性及技术成熟性等），如果这两个问题得不到有效解决，必将影响MFC在废水处理方面的应用[8].尽管施加电场激发微生物生长早在1956年就有了关于采用阳极电解水制氧以培养微生物的报道[9]，电驱动下环境污染物的生物转化方面的研究受关注程度远低于MFC的研究.相对于嗜阳极细收稿日期：2012-12-25，修订日期：2013-03-20*通讯作者,Tel:(86-20)39380502,E-mail:chfeng@scut.edu.cn国家自然科学基金项目（No.21177042，No.21037001）、广东省自然科学基金项目（No.S2011010002231）及华南理工大学中央高校基本业务经费（No.2012ZZ0048）资助电化学JOURNALOFELECTROCHEMISTRY第19卷第5期2013年10月Vol.19No.5Oct.2013文章编号:1006-3471(2013)05-0444-10菌广泛存在于自然界（大部分自然界铁还原菌都可以用来产电），嗜阴极细菌尚未被大量发现，目前还没有找到类似于Geobacter和Shewanella这样的模型产电菌.而且，嗜阴极生物膜比嗜阳极生物膜难培养，培养时间长，生物膜性质不够稳定，容易从电极上剥落.这就决定了，相比于MFC研究，通过外加电场作用刺激微生物厌氧转化污染物的实验周期长，实验现象不如MFC那么直观，通常需要几个月才能观察到较为明显的实验效果.尽管如此，生物阴极的研究最近也备受关注[10-12].微生物-电极间交互作用的应用范畴逐渐地从产电向耗电的技术转移，即电极作为稳定、长期的电子供体，为污染物降解菌提供能量，在厌氧环境下加速对污染物的降解.对微生物与电极之间电子转移机制理解的深入，将有利于拓宽微生物与电极之间的交互作用在环境修复中的应用范畴.本文评述了电驱动下的环境污染物厌氧生物转化的