Page 288 - 《环境工程技术学报》2022年第5期

· 1644 · 环境工程技术学报 第 12 卷

过阴极电极后被溶液中的硝酸盐利用，从而进行还 组中均有一定程度的亚硝氮积累， 而 ABC-800 和
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原脱氮，但各反应器中亚硝氮浓度呈现积累的趋 ABC-800 组中亚硝氮的脱除效率更高。
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势。对照组的 9 亚硝氮积累浓度远高于 ABC- 2.3 高通量测序分析
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80 组，在 第 9 天时 达 5.86 mg/L， 而 ABC-80 组仅 2.3.1 门水平上微生物种群分布
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为 1.68 mg/L。这可能是因为亚硝氮更难以接受来 投加不同生物炭材料时共 有 OT U 在门水平的
自电极上的电子， 而 ABC-80 作为电子穿梭载体，其 相对丰度如 表 2 所示。由 表 2 可知，加入改性蓝藻
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本身可能会促进亚硝氮的还原。 生物炭后，BE 阴极微生物群落在门水平上显示出
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2.2.2 对生物阴极脱氮的影响 较大的差异性。 个试验组相对丰度占比较高
各 组 BE 阴极室内硝氮和亚硝氮浓度变化如 的有变形菌门（Proteobacteria，均值>30%）、拟杆
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图 7 所示。由 图 7 可知，加 入 3 种生物炭后生物阴 菌 门 （Bacteroidota ， 均 值>12% ） 以 及 绿 弯 菌 门
极中硝氮的浓度均有所下降，其 中 ABC-800 N 组和 （Chloroflexi，均值>8%）。其中，对照组中的优势菌
ABC-800 组效果较好， 第 7 天时硝氮浓度分别为 群为变形菌门（相对丰度占比 为 52.15%）和拟杆菌门
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5.4 和 50.75 mg/L， 而 ABC-80 组次之，硝氮浓度 （12.91%），而加入生物炭后，变形菌门的相对丰度有
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为 72.06 mg/L；对照组硝氮浓度最高， 为 99.44 mg/L。 所下降，分别 为 37.63%（ABC-800）、30.96%（ABC-
4 组反应 器 7 脱氮效率分别 为 29.6%（对照组）、 800N） 和 36.02%（ABC-800K）；同时拟杆菌门的含
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46.5%（ABC-800）、96.0%（ABC-800N） 和 62.5%（ABC- 量有所上升， 达 27.49%（ABC-800）、28.88%（ABC-
800K）。这说明加入生物炭 后 BE 阴极的硝氮去除 800N） 和 21.89%（ABC-800K）。此外，相较于对照组，
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效率明显提升， 且 ABC-800 N 的效果最好。其原因 加入生物炭 后 BE 阴极中放线菌门（Actinobacteriota）
可能是改性后蓝藻生物炭表面含有丰富的含氧官能 和酸杆菌门（Acidobacteriota）的相对丰度也有所上
团， 且 ABC-800 N 含有较多的与生物相容性及电子 升， ABC-800 N 组的相对丰度几乎是对照组 的 20
传递能力相关的芳香性含氧功能基团。但各反应器 倍。因此，在加入生物炭后，氢自养反硝 化 BE 的阴
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中亚硝氮浓度的变化表现出一定的差异：对照组和 极微生物群落结构发生了较大的变化。原因是生物
ABC-80 组亚硝氮浓度呈上升趋势， 而 ABC-800N 炭的加入可以改变阴极表面的比表面积与孔径分
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和 ABC-800 K 组则先上升后下降（ 图 7）。其中，第 布，此外不同的改性方式会导致阴极表面的官能团
3 天 ABC-800 N 组达到峰值（1.26 mg/L），而 ABC- 以 及 N、 元素含量发生不同程度变化，从而可以不
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800 则 为 5.36（mg/L）； 第 7 天亚硝氮浓度分别为 同程度改变微生物的群落分布。
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12.06（对照组）、7.21（ABC-800）、0.27（ABC-800N）
表 2 投加不同生物炭材料后各组反应器微生物的共有
和 2.66（ABC-800K）mg/L，表明对照组和 ABC-800 OT 在门水平的相对丰度
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Table 2 Relative abundance of shared OTU of
microorganisms in each reactor at phylum level
after different biochar
materials addition %
细菌门 对照组 ABC-800 ABC-800N ABC-800K
Proteobacteria 52.15 37.63 30.96 36.02
Firmicutes 2.63 4.37 4.26 5.38
Chloroflexi 8.32 9.00 11.51 8.62
Bacteroidota 12.91 27.49 28.88 21.89
Actinobacteriota 3.52 9.78 9.33 7.68
Synergisteota 4.20 0.30 0.99 0.56
Acidobacteriota 0.55 2.89 9.08 4.94

注：柱状代表亚硝氮浓度；点状代表硝氮浓度。
2.3.2 属水平上微生物的群落差异
图 7 投 加 3 种生物炭材料后生物阴极硝氮、亚硝氮
各组反应器中除了有其特有的微生物种群外，
浓度随时间的变化
共有的微生物菌属的相对丰度也有较大差异。因此
Fig.7 Variation of nitrate and nitrite concentrations with time
in biological cathode under the addition of 通过横向比较各反应器中同一微生物的相对丰度可
three biochar materials 以判断加入生物炭后微生物结构的变 化 ( 图 8)。与