沉积物微生物燃料电池对湿地水体中Cu(Ⅱ)去除与脱附效果的研究

为了揭示沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cells,SMFCs)对水体重金属的去除和脱附效果及其机制,采集了海滨湿地沉积物(Coastal wetland sediments,CWS)和湖泊湿地沉积物(Lake wetland sediments,LWS)并构建SMFCs,其中,阳极室装入CWS或LWS并连接50Ω或1000Ω外阻,采用沉积物中的土著微生物产电.实验包括CWS-50Ω、CWS-1000Ω、LWS-50Ω和LWS-1000Ω共4个处理,并设置开路SMFCs作为对照.产电启动成功后,向阴极室充入Cu(Ⅱ)浓度为100 mg·L^(-1)的CuCl2溶液,开始Cu(Ⅱ)去除试验.结果显示,48 h后,CWS-50Ω、CWS-1000Ω、LWS-50Ω和LWS-1000Ω处理对Cu(Ⅱ)的去除率分别达到93.56%、95.51%、96.33%和97.75%,而断路对照的Cu(Ⅱ)去除率为5.67%.Cu(Ⅱ)去除试验结束后,将阴极室Cu(Ⅱ)溶液更换为去离子水,开始脱附试验.脱附120 min后,上述处理的Cu(Ⅱ)脱附率分别为1.15%、2.65%、2.43%和3.05%,而对照的Cu(Ⅱ)脱附率达到96.36%.脱附试验结束后取出阴极碳毡,通过XPS检测发现上述处理的阴极表面均存在Cu(Ⅱ)和Cu(0),其中,Cu(0)的比例分别达到9.38%、16.95%、21.59%和25.93%.本研究还对沉积物原始样本及所有处理阳极表面细菌的16S rRNA基因进行了测序和基因定量.结果显示,SMFCs显著增加了产电细菌相关属的优势度和细菌数量,其中,Desulfovibrio、Clostridium和Geoalkalibacter为CWS-50Ω和CWS-1000Ω阳极表面的优势产电菌属,Clostridium、Brevundimonas和Bacillus为LWS-50Ω和LWS-1000Ω阳极表面的优势产电菌属.本研究创新点在于揭示了SMFCs不仅可以高效去除水体Cu(Ⅱ)污染,还能有效避免Cu(Ⅱ)从碳毡电极上脱附,从而保证水体修复效果的长效性.本研究还阐明了Cu(Ⅱ)在阴极表面的吸附和还原是SMFCs去除Cu(Ⅱ)的机制,据此认为提升SMFCs阴极效率以增加阴极表面Cu(0)/Cu(Ⅱ)的比例有望进一步提高SMFC对水体重金属的去除效果.