Page 285 - 《环境工程技术学报》2022年第5期

第 5 期 熊江磊等：改性蓝藻生物炭促进生物电化学系统阴极氢自养反硝化过程研究 · 1641 ·

硝化相比，以氢为电子供体时的氢自养反硝化过程 停 留 1.5 h，所得产品记 为 ABC-800。
终产物仅为氮气和水，且无有害副产物，对环境更加 1.2 生物炭材料的表征
友好 。据报道，变形菌门（Proteobacteria）中的陶厄 生物炭材料的表面形貌由场发射扫描电子显微
[3]
氏菌属（Thauera）和氢噬胞菌属（Hydrogenophaga） 镜（SEM，日 立 S-4800，日本）观察，精度 为 2 µm。利
等 [4-5 ] 属于氢氧化型反硝化剂，且其大部分都属于细 用全自动比表面积仪（Micromeritics ASAP 2460，美
菌。因此耦合氢自养反硝化 的 BE 处理硝酸盐的工 国 ） 对 生 物 炭 材 料 的 孔 径 分 布 、 比 表 面 积 进 行
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艺更具研究价值和应用前景。 分析。材料表面的官能团由傅里叶红外光谱仪
为了进一步提 升 BE 阴极反硝化的效率，已出 （Thermo Nicolet IS10，美国）检测，分析软件 为 OMNIC
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现利用电子穿梭载体促进阴极微生物间的电子传递 （Nicolet，美国）。
过程的方法 。其中，生物炭材料因为其丰富的电活 1.3 BE 反硝化试验
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性官能团及良好的生物相容性，已经广泛应用于农 搭建双 室 BE 反应器，阴、阳极室通过阳离子
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业、环境和能源领域 。由于生物炭具有醌-对苯二 交换膜（跃 进 CMI-7000S，中国）隔开，各室实际容积
酚结构以及与缩合芳香族结合的共 轭 π 电子体系 为 480 mL。利用钛丝将碳纤维材料固定成束，制作
2 种氧化还原活性结构，因此可以促进生物降解系统 两极室的碳刷。非生物阴极中不含微生物。生物阴
[8]
中微生物和污染物间的胞外电子传递（EET） 。此 极中，阳极微生物的驯化通过数据记录仪（Keithley
外，通过酸、碱等不同预处理方式，可以提高生物炭 2700，美国）记录，当阳极电位在−0.55 保 持 24 以
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表面含氧官能团的种类和丰度以及材料的比表面 上时视为驯化完成。阴极微生物驯化完成的标志则
积，有利于提升生物炭的性能 [9-10] 。但目前利用生物 是当阴极电位在−0.63 并保 持 24 以上 。
[11]
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炭促 进 BE 生物阴极的反硝化过程中的电子传递的 设 置 2 组非生物阴极反应器，其 中 1 组阴极添
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研究尚不多见。 加 0.5 g ABC-800，不添加生物炭材料的另 外 1 组设
笔者利用太湖蓝藻制备生物炭，并用酸和碱等 为对照组，测定阴 极 9 的硝态氮、亚硝态氮浓度。
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不同预处理方式对其进行改性。通过扫描电子显微 根据非生物阴极的结果，进 行 BE 的生物阴极试
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镜（SEM）、 X 射线能谱分析（EDS）和傅里叶红外光 验。在微生物驯化完成后，向试验组分别加 入 0.5 g
谱（FTIR）等对生物炭的性质进行表征，将生物炭加 ABC-800、ABC-800 N 和 ABC-800K，并以加入的生
入 到 BE 反硝化阴极，通过测定硝氮和亚硝氮的浓 物炭材料命名反应器，探究不同生物炭对生物阴极
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度研究硝氮还原过程，并借助高通量测序技术对各 反硝化效果的影响。 每 24 从阴极室中部 取 5 mL
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组 BE 阴极微生物的群落结构进行测定，探究氢自 水样，依据《水和废水监测分析方法》 [12 ] 测定硝氮和
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养反硝化过程中的电子传递机制，以期为蓝藻生物 亚硝氮浓度。所有的测试至少进 行 3 次，取平均值。
炭促进生物电化学系统反硝化脱氮提供理论参考。 1.4 高通量测序试验
阴极的电势与脱氮效果稳定之后，取各组反应
1 材料与方法
器阴极碳刷上的微生物进行测序。试验前分上、
1.1 蓝藻生物炭的制备和改性 中、 下 3 处剪取 约 3 c m 的样品，并与阴极液共同置
从太湖（无锡市）收集新鲜蓝藻并晒干，用去离 于 E 管中，混合均匀。 经 DN A 提取后，以细菌的
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子水清洗干净后 于 105 ℃ 烘箱（博讯 GZX9146）中 16S rRN 基因 的 V3～V 可变区为靶标进 行 PCR
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烘干 3 h。将蓝藻粉置于真空管式炉（BEQ BEF- 扩增（ABI GeneAmp 9700，美国）。扩增时的正向引
1200C-PV）中热解。热解的温度梯度 为 5 ℃/min，热 物为 338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG），反向
解最终温度 为 400 ℃，热解时间 为 2 h。收集热解后 引物 为 806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT）。纯
的固体，记 为 ABC-400。 化的扩增子 在 Illumina Mise 测序平台上测序，可以
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取 ABC-400 5 与同等质量的分析 纯 KO 固 同时完成传统基因组学、功能基因组学等的研究。
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体混合，以温度梯度 为 10 ℃/mi 升温 至 800 ℃，并
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2 结果与分析
停 留 1.5 h，所得固体记 为 ABC-800K。 取 ABC-400
10 于圆底烧瓶中，加 入 200 m 硝酸（分析纯）溶 2.1 生物炭材料的结构表征
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液， 于 100 ℃ 水 浴 80 min。干燥后按上述方法同样 2.1.1 生物炭材料的表面形貌
进行热解，所得产品记 为 ABC-800N。另 取 ABC- ABC-800、ABC-800 和 ABC-800K 种生物炭
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400 10 g，以温度梯度 为 10 ℃/mi 升温 至 800 ℃，并 材料的表面形貌如 图 1 所示。由 图 1 可知，ABC-
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