结晶多孔材料基阳极在微生物电化学系统中的研究进展

阳极在微生物电化学系统中起着至关重要的作用,它充当电活性细菌的载体并促进电子转移。然而,微生物电化学系统的阳极的设计仍然面临着阻碍其实际应用的挑战。近年来,结晶多孔材料(金属有机框架和共价有机框架)因其优异的导电性和生物相容性而作为微生物电化学系统中的阳极材料引起了广泛的关注。本文综述了微生物电化学系统中结晶多孔材料阳极的研究进展,并对其存在的问题和发展前景进行了展望。

微生物电化学系统中金属氧化物和硫化物基阳极的研究进展

在微生物电化学系统中,阳极作为电活性菌的载体和电子传递的媒介,起到了至关重要的作用。然而,阳极的设计依然存在着挑战,限制了微生物电化学系统的应用。最近,由于良好的电导率和生物相容性,金属氧化物和硫化物作为微生物电化学系统的阳极材料得到了广泛关注。本文综述了在微生物电化学系统中金属氧化物和硫化物基阳极材料的研究进展,同时针对存在的挑战进行了总结与展望。

微生物电化学系统处理含氮废水研究进展

作为全球性的水体污染物,近年来氮素的去除受到越来越多的重视。传统的脱氮工艺通常有不同程度的脱氮费用较高、容易产生二次污染、需要后续处理工艺等缺点。近年来,基于微生物电化学系统(BES)的脱氮过程因具有能耗低,剩余污泥产生量少,以及可同时脱氮脱盐等多种优势,正越来越被各界关注。作者从BES反应器结构、电极材料选型以及不同操作条件(pH、DO、碳源类型和C/N)等三个方面进行阐述,并提出这一领域未来可能的研究方向。

连续搅拌微生物电化学系统处理高浓度模拟废水的效能

微生物电化学系统在面向实际废水处理时,表现出产电性能下降、出水水质差等缺点.为了提高其处理中高浓度、含发酵类底物废水的性能,将连续搅拌釜式反应器与之耦合,构建一体式连续搅拌微生物电化学系统(CSMER).确定系统的最佳运行条件:以连续流方式运行,在水力停留时间为12 h,进水COD浓度为6 000 mg·L^(-1)时,系统内4个电池的最大功率密度分别达(583±9),(562±7),(533±10)和(572±6)mW·m^(-2),COD去除率为(87.1±1.1)%,甲烷产率为(1.48±0.15)L·L^(-1)·d^(-1).与对照的连续搅拌釜式反应器相比,其COD去除率及甲烷产率分别提高了61.6%及244.2%.焦磷酸测序结果表明,CSMER底端的全混流搅拌区(CMZ)以Clostridium(10.0%)、Acidaminococcus(11.7%)及Lactococcus(10.8%)等水解发酵菌群为优势细菌菌属;顶端的微生物电化学区(MEZ)以产电菌Geobacter(14.5%)占优势.CSMER中相对复杂的细菌群落结构使其同时含有丰度较高的嗜乙酸产甲烷菌科(52.2%)和嗜氢产甲烷菌科(47.1%),而底端CMZ的厌氧消化过程与顶端MEZ的产电过程之间的协同作用是实现该系统性能优于对照反应器的主要原因.

耦合发酵产氢尾液处理的微生物电化学系统研究

区别于传统的稀释或加缓冲剂调节pH值的方法,本文提出采用微生物电解池(MEC)电调控暗发酵尾液pH值,并进一步采用微生物电合成系统(MES)降解废液产甲烷.结果表明,在MEC处理产氢暗发酵尾液过程中,伴随着阴极侧氢气的产生,暗发酵尾液中大量H+被消耗,溶液pH值从4.5升高到8.7;随后在MES中,产氢发酵尾液中有机物被进一步降解产生甲烷,其平均产甲烷速率达到4.5mmol/(L·d),且在21d内化学需氧量(COD)去除率达到89%,远优于没有经过pH调控的产氢发酵尾液MES中的产甲烷性能.

土壤微生物电化学系统降解四环素的机理

以四环素为研究对象,构建土壤微生物电化学系统(SMES),避光恒温培养58d后进行采样分析,研究了四环素降解、土壤理化性质、酶活性和三域微生物之间的内在联系,以揭示四环素在SMES中的生物降解机理.结果表明,采用SMES处理后,四环素降解率从52%显著提升至70%.与对照处理相比,脱氢酶活性在SMES中显著提升了144%,且与四环素降解率显著正相关.相比之下,在SMES中多酚氧化酶、过氧化氢酶和漆酶对四环素的降解效果微弱.pH值是影响土壤微生物群落的重要理化因子,且与四环素降解呈负相关关系.Network关联分析显示,真菌在四环素降解中起到关键作用,Geoalkalibacter、Microascus、Wardomyces和Scopulariopsis是四环素的潜在降解菌,其中Microascus和Scopulariopsis是脱氢酶的潜在分泌菌.

微生物电化学系统在水处理中的研究进展

系统阐述了微生物电化学系统的原理和分类,综述了微生物电化学系统在水处理中的应用现状。分别介绍了微生物燃料电池与微生物电解电池的概念、结构类型及研究进展,并提出未来微生物电化学系统大致研究方向。

微生物电化学系统处理硝基苯废水实验研究

采用微生物电化学法对硝基苯废水进行降解实验研究。系统地考察了溶液初始p H值、外加电压、底物浓度对其降解实验的影响。实验结果表明:当硝基苯初始浓度为10 mg/L,阴极室初始p H值为5.0,外加电压为0.6 V时,经12 h降解反应后,硝基苯去除率达到93.4%。硝基苯在弱酸性条件下降解速率最快,底物浓度与耦合系统对硝基苯的降解速率呈负相关性。

植物-微生物电化学耦合降解底泥中氯硝柳胺的特性

以植物-底泥-微生物电化学系统中氯硝柳胺的降解为研究对象,研究了外加电压、植物(菖蒲(Acorus Calamus L.)和黑麦草(Lolium Perenne L.))以及生物表面活性剂(鼠李糖脂)对氯硝柳胺降解的影响。研究结果表明:外加适量的直流电压可以对底泥-微生物电化学系统中氯硝柳胺的降解产生一定的促进作用,1.2 V外加电压作用下的底泥-微生物电化学耦合系统中氯硝柳胺降解的半衰期比0.2 V减少了11.59%;植物对底泥中氯硝柳胺降解具有促进作用,1.2 V电压作用下的菖蒲和黑麦草微生物电化学耦合系统氯硝柳胺降解半衰期比无植物时分别减少7.43%和1.58%;外加适量的鼠李糖脂对于底泥中氯硝柳胺的降解具有促进作用,外加1.2 V电压,在且菖蒲-底泥-微生物电化学耦合系统中加入0.50 g·kg^(-1)鼠李糖脂,氯硝柳胺降解半衰期最小,比不加入鼠李糖脂减少26.45%。耦合系统中的氯硝柳胺通过生成2-氯-4-硝基苯胺、5-氯水杨酸等中间产物逐渐降解,最终生成CO_(2)、H_(2)O等。

微生物电化学修复中污染土壤生化特性变化

为探明土壤酶和pH在微生物电化学系统(MES)降解四环素过程中的作用,采集了黑土、潮土、黄棕壤和红壤4种类型土壤进行研究。结果表明:向黑土、潮土和红壤中添加10 mg/kg四环素后(TN处理)土壤pH较对照处理(CK,无抗生素添加)分别增加了0.08、0.15、1.09个单位,而经MES处理后(TC,四环素含量10 mg/kg)4种类型土壤中pH均呈降低趋势。尽管土壤脱氢酶、脲酶和多酚氧化酶活性在四环素污染土壤中展现出不同的变化规律,但其活性在MES中较TN处理分别增加了62.4%~72.1%、11.3%~80.9%(红壤除外)和12.6%~42.6%。与TN相比,四环素降解率在TC处理中分别增加了14%(黑土)、26%(潮土)、26%(黄棕壤)和17%(红壤)。相关性分析表明,脱氢酶活性与四环素降解率呈显著正相关,pH与降解率显著负相关,说明脱氢酶可能参与了降解四环素过程,且酸性条件可能更有利于降解。该试验从土壤生化特性角度揭示了MES对四环素的降解机理,可为土壤污染修复提供支撑。

微生物电化学自发性海水铀浓缩去除体系研究

针对传统核废水处理方法存在的能耗局限问题,我们利用生物电化学技术,围绕电化学活性功能菌海水铀自发性浓缩去除机制开展研究。建立了电子内循环的低能耗自发性微生物金属浓缩去除电化学体系(Microbial electrochemical system for spontaneous metal recovery)MES-SMR,改变以往反应器内阴阳极连接方式将两个反应器串联于一个闭合回路,利用阳极电化学活性微生物的产电功能推动反应器电子内循环,使硝酸铀酰在反应室2进行自发还原反应实现海水中铀浓缩去除。在成功构建反应器的基础上,对反应体系内影响铀还原的关键因素——电化学活性细菌的胞外电子传递过程进行调控优化,选择最适宜的阳极电势、电极表面修饰方法、功能菌群优化方式,提高体系的产电性能与阴极室还原率。实现对于海水铀的浓缩,为电化学海水除铀提供新的思路。

微生物电化学技术在石油烃污染土壤修复中的应用研究进展

石油开采和运输过程中会产生大面积的石油污染场地.碳中和背景下,微生物电化学技术为土壤中石油有机污染物去除提供了新型碳减排修复策略.简要介绍了微生物电化学系统的运行原理和分类,并针对该技术低成本、绿色低碳、能量转化效率高以及可控性强等优势具体分析了其在石油烃污染土壤修复领域应用的可行性.详细概述了微生物电化学系统修复性能的影响因素及增加系统电子受体、提高传质能力以及提高电子传递能力等强化途径,并对现阶段微生物电化学修复技术存在的问题和发展中的局限性进行总结,指出未来的发展方向,以期指导该技术在污染土壤中的实际应用.

微生物电化学系统电子中介体

电化学活性微生物与电极之间的胞外电子传递在微生物电化学系统(microbial electrochemical systems,MESs)产能、生物修复等功能的实现中起着关键作用。目前,研究者对微生物胞外电子传递机理了解有限,限制了MESs的应用。相比于需要微生物功能蛋白与电极接触才能发生的直接电子传递,间接电子传递可通过具有可逆氧化还原活性的电子中介体(electron transfer mediators,ETMs)实现电子的传递,从而有效提高微生物胞外电子传递效率。在间接电子转移过程中,ETMs起着中间电子受体和中间电子供体的作用,即被还原后可将电子传递给最终电子受体并被重新还原;理论上每个ETMs分子可以循环数千次,因此ETMs对特定环境下终端氧化物(如铁离子)的循环有着极其显著的作用。本文系统总结了MESs中ETMs及间接电子传递机制近年来的研究进展,并且在此基础上探讨了ETMs在MESs中的研究趋势,以期推动MESs在生物修复、能源生产方面的实际应用。

甲烷化抑制剂在微生物电化学合成乙酸系统中的生物抑制效应

研究了利用2-溴乙烷磺酸钠(BES)选择性抑制产甲烷菌,从而提高微生物电化学系统合成乙酸产率的可行性,并对比了BES添加前后阴极室微生物菌群结构的变化。结果表明,厌氧混合菌接种物未经BES处理时甲烷是电化学系统CO_2还原的主导产物,最大生成速率达0.95 mmol·L^(-1)·d^(-1),8 d反应时间甲烷中电子回收率达55.0%,16S r RNA测序结果显示固态阴极的主要菌群为Methanobacteriaceae。BES的添加基本抑制了产甲烷菌的活动,使得乙酸成为主导产物,其合成速率最高达2.22 mmol·L^(-1)·d^(-1),系统总电子回收率达67.3%。Rhodocyclaceae(15.1%),Clostridiaceae(11.9%)、Comamonadaceae(11.1%)和Sphingobacteriales(11.0%)为主要菌群。研究结果表明了微生物电化学合成系统中抑制甲烷生成对调控微生态结构,从而调控电化学终产物的重要性。

微生物电化学技术去除水体中抗生素的研究进展

抗生素在各个行业中的广泛使用及其难降解性导致其富集进入水体而危害人类健康,越来越多的研究聚焦于水体中抗生素的去除。微生物电化学系统(BES)结合有机质生物降解和电信号刺激有效加速了废水中各类抗生素的去除。在现有文献的基础上,综述了BES对于各类抗生素去除的性能,阐述了BES系统在降解抗生素时,电极表面的电活性微生物组成、抗生素的微生物电化学代谢途径,总结了抗生素在BES系统中去除的影响因素,分析了各类传统废水处理技术与BES耦合技术对于抗生素的去除效率,并对BES在抗生素去除中的优缺点进行了总结。

水平碳纤维刷耦合生物电化学系统强化土壤中总石油烃降解及扩展作用半径

为解决传统管状土壤生物电化学系统(SBES)应用中因土壤传质效率低导致的修复半径有限的问题,借助水平定向钻机设备构建了水平碳纤维刷耦合SBES的新构型,通过搭建水平电子通路促进远端石油污染物降解,探究水平碳纤维刷SBES构型对土壤总石油烃(TPH)降解的最大作用半径。结果表明:在启动80 d后,水平碳纤维刷SBESs构型的TPH去除率可达到46.4%~49.0%,比垂直SBES提高了169.8%~184.9%,相较于自然降解处理组提高了358.4%~385%,微生物输出的最大电流密度达到21.7~35.8 mA/m^(2)。水平碳纤维刷耦合SBESs构型的最大作用半径为136~138 cm,是垂直SBES的1.48~1.50倍。综上,水平碳纤维刷耦合SBES强化了微生物石油烃降解及扩展了作用半径,可为SBES在工程应用领域提供全新的解决方案。

微生物电化学法处理氨氮废水研究进展

氨氮污染可引起水体富营养化,严重危害水生生态系统和人类健康.微生物电化学系统作为一种极具潜能的污水处理技术正被广泛研究用于处理氨氮废水,了解各种处理氨氮废水的微生物电化学原理对未来污水处理的发展具有重要意义.对微生物电化学法处理氨氮废水的基本原理和研究进展进行综述,主要介绍微生物电化学氨回收、微生物电化学同步硝化反硝化、微生物电化学阳极氨氧化、微生物电化学厌氧氨氧化和微生物电化学厌氧铁铵氧化等技术.其主要原理是在生物反应的基础上结合微生物电化学系统,通过促进电子传递加快生物反应.相关研究重点关注氨氮污染物的回收效率、降解效率、产能效率以及结合微生物电化学系统的氨氧化新机制,可为氨氮废水处理提供重要参考.未来微生物电化学法处理氨氮废水主要应将传统脱氮工艺与微生物电化学系统相联用,将氨回收和氨氧化技术高效结合,更多地对实际污水进行研究,更多地关注功能微生物及功能基因,有效精简构型,减少运营成本.(图1表1参62)

生物阴极BES降解对硝基苯酚影响因素研究

为研究生物阴极微生物电化学系统(biocathode bioelectrochemical system,Bioc-BES)对硝基芳香烃降解在实际生产中的应用,分析了外加电压、磷酸盐缓冲溶液浓度(PBS)、外电阻对对硝基苯酚(PNP)降解的影响.结果表明,在外电阻为10Ω时,随着外加电压由0. 2 V增加到0. 6 V,PNP去除速率常数由(0. 024±0. 005) h^(-1)增加到(0. 098±0. 001) h^(-1),0. 5 V是PNP去除最佳外加电压.当磷酸盐缓冲溶液浓度由10 mmol/L增加到200 mmol/L,PNP去除速率常数由(0. 039±0. 004) h^(-1)增加到(0. 071±0. 011) h^(-1),50 mmol/L磷酸盐缓冲液浓度为最适PNP去除浓度.外电阻由1Ω增加到100Ω对PNP的去除没有显著影响.表明生物阴极BES降解PNP具有良好的环境适应力,生物阴极BES为PNP生物降解提供了新的途径.

光电子协同微生物介导的重金属离子还原与电子转移机理

重金属污染是一个亟待解决的环境和社会问题。重金属元素在自然界常会形成各种价态的矿物,具有不同的理化性质,对重金属污染治理具有重要的参考意义。重金属离子价态的改变可通过微生物、电极电子及半导体矿物光电子传递与吸收实现。本文分析了微生物及其电化学系统、半导体矿物光电子与光电子协同作用对重金属离子的还原作用,从氧化还原电势角度分析了微生物及其电化学系统与光电子对重金属离子的还原机理。重点从微生物跨膜电子传递过程及分子网络角度阐述了微生物还原变价重金属离子的直接/间接电子传递途径、从微生物向电极的正/逆向电子传递与吸收利用角度揭示了微生物电化学系统与光电子协同微生物对重金属离子价态调控的机制。最后,提出了微生物、电极、半导体矿物与光在重金属价态调控中的作用网络与能量利用途径。可为进一步研究微生物胞外电子传递及微生物光电子利用与光电子协同微生物调控重金属离子价态及其环境治理提供参考。

MES-AnMBR耦合工艺处理模拟偶氮染料废水及膜污染特性研究

采用微生物电化学系统(MES)-厌氧膜生物反应器(AnMBR)耦合工艺处理模拟偶氮染料废水,考察了该工艺的产电情况、对偶氮染料刚果红(CR)的脱色率和膜污染特性。结果表明,外阻为50Ω时,反应器阳极的电化学活性最高,平均输出电流、最大功率密度和电流密度分别为(0.43±0.03)mA、78.98 mW/m^(2)和644.63 mA/m^(2);50Ω、400Ω和1000Ω3组反应器的平均COD去除率在81.44%~85.20%,平均脱色率分别为(89.50±3.14)%、(85.00±3.15)%和(82.00±2.87)%;与对照组相比,50Ω、400Ω和1000Ω3组反应器将膜堵塞的时间从16 d分别延长至39 d、35 d和24 d。反应器产生的电流能够促进泥饼层中溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物中蛋白质和多糖的降解,随着输出电流的增加,SMP和松散型胞外聚合物含量逐渐降低。