Page 215 - 《环境工程技术学报》2023年第1期

第 1 期 李朝明等：不同阳极设置对人工湿地-微生物燃料电池脱氮及产能的影响 · 211 ·

极的脱氮过程。 文献 [24-26 ] 报道芽殖杆菌属、未分类的红环菌科和红
从 图 5(b 可以看出， 套 CW-MF 耦合系统阳 杆菌属具有反硝化脱氮的特性，地杆菌属、黄杆菌属
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)
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极的主要菌属相对丰度较为接近，主要优势菌属为 和不动杆菌属也常作 为 CW-MF 系统主要的反硝
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不动杆菌属（Acinetobacter）、未分类的绿弯菌门 化菌属 [27-28] 。此外，脱氯单胞菌属（Dechloromonas）
（unclassified_Chloroflexi ） 、 未 分 类 的 浮 霉 菌 门 在 CW-MFC 耦合系统阴极中也具有较高的相对丰
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（unclassified_Planctomycetaceae）、未分类的厌氧绳 度（3.04%），而该菌属是重要的反硝化聚磷菌，能够
菌科（unclassified_Anaerolineaceae）、未分类的拟杆 在厌氧环境中利用硝酸根和亚硝酸根降解有机物，
菌门（unclassified_Bacteroidetes）和未分类 的 β-变形 具有反硝化脱氮功能 [29] 。因此，大量富集的传统反
菌纲（unclassified_ Betaproteobacteria）等。不动杆菌 硝化菌（巨大芽殖杆菌属、地杆菌属、黄杆菌属、不
属 在 2 套 CW-MF 耦合系统阳极中的相对丰度最 动杆菌属和脱氯单胞菌属等）可能 是 CW-MFC 耦
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高，该菌属是一种常见的异养反硝化菌属，CW-MFC1 合系统阴极主要的反硝化菌属。蓝藻细菌常出现在
耦合系统阳极的不动杆菌属相对丰度（40.84%）高于 富营养化水体中，能够吸收营养物质，迅速将太阳能
CW-MFC2（38.59%），表明不动杆菌属相对丰度的增 转化为碳基化合物，阴极中高丰度的未分类蓝藻细
加有利于总氮的去除， 是 CW-MF 耦合系统阳极中 菌可能是由 于 CW-MFC 耦合系统出水中氮浓度较
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主要的反硝化菌属。如前所述，绿弯菌门、浮霉菌门 高所致。硫杆菌属和假单胞菌属的许多细菌被报道
和拟杆菌门中的一些细菌对湿地中碳、氮循环具有 具有异养反硝化潜能 [30-31] ，并且假单胞菌属中的某些
潜在作用 [16-17] ，因此未分类的浮霉菌门和拟杆菌门相 细菌还具有同时自养和异养的反硝化潜能，可以利
对 丰 度 （CW-MFC 为 3.78% 和 2.36% ，CW-MFC2 用有机碳源和无机电子供体进行协同反硝化脱
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[20]
为 2.90 % 和 2.04%）的增加可能促进了 CW-MFC1 氮 [31] 。硝化螺菌属是污水处理中常见的硝化细菌 ，
耦合系统的脱氮过程，而未分类的绿弯菌门相对丰 可将亚硝酸盐氧化成硝酸盐，CW-MFC 耦合系统中
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度（CW-MFC 为 2.23%，CW-MFC 为 3.07%）的增 高丰度的硝化螺菌属可能与蓝藻细菌光合作用释放
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加促进 了 CW-MFC 耦合系统中有机物的降解，这 氧气有关。综上，未分类蓝藻细菌、硫杆菌属、假单
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与本研究得到的污染物去除结果也是一致的。厌氧 胞菌属和硝化螺菌属 是 CW-MFC 耦合系统中主要
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绳菌科的细菌可能与阳极有机碳的降解有关，并且 的脱氮功能菌群。微生物硝化反硝化作为湿地最主
溶解氧和氨氮浓度是影响其群落的主要因素 [21-22] 。 要的脱氮途径，占总氮去除的比例可高达 60%～
此外， 套 CW-MF 耦合系统中阳极的典型产电菌 95% [32-33] 。在传统的异养反硝化反应中，有机碳化合
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Geobacte 属的相对丰度均较低，分别为 0.84 % 和 物可被反硝化菌同时用作生长所需碳源和电子供
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0.44%。 有 文 献 [23 ] 报 道 未 分 类 的 酸 杆 菌 Gp 科 体，而硝酸盐作为电子受体，可被还原 为 N 。然而，
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（unclassified_Acidobacteria_Gp4）可利用多种有机酸 在 CW-MF 耦合系统中，除传统的异养反硝化过程
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作为底物产电，因 此 CW-MFC 耦合系统中未分类 外，还存在利用阴极作为电子供体的电极依赖型自
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的 酸 杆 菌 Gp 科 的 相 对 丰 度 （1.29% ） 高 于 CW- 养反硝化过程，这也 是 CW-MF 耦合系统强化脱氮
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MFC1（0.78%）可能与其输出电压较高有关。 的 关 键 所 在 [15,34] 。 如 前 所 述 ， 地 杆 菌 属 是 CW-
从 图 5（b）还可以看出， 套 CW-MF 耦合系统 MFC 耦合系统阴极中主要的反硝化菌，但地杆菌属
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阴极的优势菌属相差较大。CW-MFC 耦合系统阴 同时也是一种典型的产电菌 [35] ，因此，阴极大量富集
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极主要的优势菌属为巨大芽殖杆菌属（Gemmobacter， 的地杆菌属可显著促 进 CW-MFC 耦合系统阴极的
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13.56%）、地杆菌属（Geobacter，11.51%）、未分类的 自养脱氮过程。
红环菌科（unclassified_Rhodocyclaceae，10.81%）、黄
3 结论
杆 菌 属 （Flavobacterium ，8.70% ） 、 不 动 杆 菌 属
（Acinetobacter ，8.56% ） 和 红 杆 菌 属 （Rhodobacter， (1) 阳极颗粒活性炭的加入可显著提升 CW-
6.43%）等； 而 CW-MFC 耦合系统阴极的主要优势 MF 耦合系统的产电性能和产电的稳定性。CW-
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菌属为未分类的蓝藻细菌（unclassified_Cyanobacteria， MF 耦合系统的平均输出电压可提升 18.7%（从
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45.41%） 、Mariniradius （6.16% ） 、 硝 化 螺 菌 属 251 m 提 高 至 298 mV） ， 最 大 功 率 密 度 可 提升
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（4.96% ） 、 未 分 类 的 红 杆 菌 科 （unclassified_ 8.0%（ 从 7.77 mW/m 提高 至 8.39 mW/m ）。
Rhodobacteraceae，3.49%）、硫杆菌属（Thiobacillus， (2) 阳极加入颗粒活性炭 对 CW-MF 耦合系统
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3.25%）和假单胞菌属（Pseudomonas，2.58%）等。有 氨氮去除效率的提升仅在试验运行初期（0 ～29 d）