王 芳，張德俐，陳 梅，易維明

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院；山東省清潔能源工程技術(shù)研究中心，淄博 255049）

0 引 言

近年來中國大型沼氣工程迅速發(fā)展，隨著沼氣工程的急速發(fā)展，大量沼液積累。由于發(fā)酵沼液仍具有較高濃度的有機質(zhì)含量，而且成分復(fù)雜[1]，如果處理不當(dāng)，將嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境。目前沼液處理方式主要有 3種，一是還田利用，二是曝氣好氧處理，三是生態(tài)處理。國外發(fā)達國家對沼液的處置方式主要是還田利用，但是對于中國來講，農(nóng)村人均耕地較少，種養(yǎng)殖脫節(jié)嚴(yán)重，有相當(dāng)一部分沼氣場周圍農(nóng)田很難消納所產(chǎn)沼液，不得不采用生態(tài)處理或曝氣好氧方法對沼液進行后處理，以滿足環(huán)保排放要求[2]，但是這種處理方式，耗能巨大，經(jīng)濟成本高。由于沼液中含有較高化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）、氨氮、抗生素等，如果不加處理直接排放或還田，容易造成環(huán)境二次污染。

微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）可以利用微生物降解可溶解的復(fù)雜有機物，獲得電能[3]。多種基質(zhì)已被用于MFC的研究中，包括一些單一基質(zhì)例如醋酸鹽、葡萄糖和一些復(fù)合基質(zhì)等。目前，研究最為廣泛的復(fù)合基質(zhì)包括：各類污水及木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)。例如，啤酒廠廢水[4-5]與果汁加工工廠廢水等[6]。由于食品工業(yè)廢水中含有大量有碳水化合物，例如糖類、脂類等，是MFC底物有機質(zhì)很好的來源，所以此類物質(zhì)非常適合于作為MFC的陽極底物[7]。

發(fā)酵沼液作為有機廢水的一種，含有大量的糖類、揮發(fā)性脂肪酸及一些腐殖質(zhì)，可以直接作為MFC中有機物底物來源。此外，沼液中還存在大量營養(yǎng)元素，例如氮、磷、鉀等微量元素，也是微生物代謝所必須的[8]。所以發(fā)酵沼液也可以作為MFC陽極底物加以利用，不僅可以產(chǎn)生電能，同時可以進一步降解沼液中的有機物質(zhì)，使其達到減量化、無害化。同時，利用MFC處理發(fā)酵沼液廢水反應(yīng)條件溫和，不需要能量輸入，無污染，反應(yīng)可連續(xù)。本研究針對沼氣工程運行情況不同，所產(chǎn)沼液中有機物濃度不同，利用雙室MFC，探究了不同有機物濃度對沼液MFC產(chǎn)電性能及有機物去除效果的影響。同時通過對原料及MFC中陽極生物膜和陽極溶液中微生物多樣性與菌群結(jié)構(gòu)分析探究MFC對沼液中有機物降解能力及產(chǎn)電的可行性。

1 試驗材料與方法

1.1 陽極底物與接種物

試驗所用沼液來源于山東理工大學(xué)厭氧發(fā)酵實驗室，將沼氣發(fā)酵后料液用 4層紗布過濾去掉較大固體殘渣，測定過濾后沼液COD質(zhì)量濃度為（3618.6±55.6）mg/L，含有短鏈纖維素質(zhì)量濃度為(882.5±59.2) mg/L，然后利用去離子水將沼液稀釋成不同的COD濃度，稀釋倍數(shù)分別為2倍、4倍、8倍，將其作為MFC反應(yīng)器的陽極底物。接種物來源為山東理工大學(xué)校區(qū)內(nèi)河溝污水，其COD質(zhì)量濃度為106.6 mg/L。

1.2 MFC構(gòu)型與操作過程

試驗中采用雙室構(gòu)型MFC。由陰極室、陽極室、隔膜等部分構(gòu)成。反應(yīng)器上部及兩側(cè)分別留有取樣孔，以便對反應(yīng)液采樣及陰極通入空氣。陰、陽極室分別采用8 cm×8 cm×8 cm正方體有機玻璃反應(yīng)槽構(gòu)成，利用硅膠墊及法蘭密封連接。中間的隔膜為Nafion117（Du Pont）質(zhì)子交換膜，Nafion117膜為全氟磺酸聚合物質(zhì)子交換膜，其厚度為183 μm，電導(dǎo)率為0.083 S/cm，質(zhì)子交換膜在使用前需進行處理，其處理方法為：在30% H2O2溶液中，溫度為80 ℃，浸泡1 h，取出后，于去離子水中浸泡1 h，再在0.5 mol/L的H2SO4中浸泡1 h，在去離子水中清洗3次，每次10 min，最后保存在去離子水中備用[9]。陽極和陰極電極分別用5 cm×5 cm的正方形碳?xì)譃榛?，鈦絲作為導(dǎo)線制成，兩電極間距離為6.5 cm。MFC在正常運行時，兩極間接有恒定負(fù)載電阻，阻值為1 000 Ω。

在MFC第一周期開始前，向陽極反應(yīng)器內(nèi)加入過濾后新鮮沼液與接種物，其中接種物占總體積 35%，并按一定的體積比（5:1）加入金屬鹽類培養(yǎng)基（MSM）（表1），混合均勻進行MFC啟動。在試驗過程中，大約15 d左右完成一個產(chǎn)電周期，一個產(chǎn)電周期結(jié)束后，排出陽極原混合溶液的 70%，重新添加新鮮沼液。陰極溶液為50 mmol/L的鐵氰化鉀溶液，MFC運行過程中，每2～3 h向陰極室內(nèi)通入空氣，并保持1 min。反應(yīng)裝置置于環(huán)境溫度為20 ℃左右的室內(nèi)運行。

表1 金屬鹽培養(yǎng)基（MSM）成分[10]Table 1 Composition of metal salt media (MSM)

1.3 試驗分析方法

1.3.1 產(chǎn)電特性分析

本試驗采用多通道數(shù)據(jù)采集卡（IN USB-6008，美國）進行電壓采集，利用 Labview 數(shù)據(jù)采集軟件對數(shù)據(jù)進行記錄保存，每隔2 min采集1次各路電壓值，每隔1 h對30組數(shù)據(jù)計算平均數(shù)，以每1 h獲得的平均電壓為最終值；極化曲線采用改變外電阻法獲得[11]。將MFC反應(yīng)器外部連接可調(diào)變阻箱（ZX21型），外電阻阻值從1×104Ω調(diào)至 80 Ω，外電阻每調(diào)節(jié)一個阻值需要穩(wěn)定 5 min后，再對電壓進行采集。極化曲線線性部分的斜率即為反應(yīng)器的內(nèi)阻。

本試驗中電流密度由歐姆定律計算。功率密度曲線為功率密度 P 隨電流密度的變化曲線。通常用功率密度曲線的最高點來表示系統(tǒng)獲得的最大功率[12]。

1.3.2 COD、纖維素測定與庫倫效率計算方法

本試驗通過監(jiān)測沼液COD去除率考查MFC對發(fā)酵沼液無害化處理效果，COD測量的方法為重鉻酸鉀氧化法，利用多參數(shù)水質(zhì)測定儀（LY-4DA型）進行測定。測量前分別取待測液 15 mL，用粗濾紙過濾，離心機（TGL-20）離心（6 000 r/min，5 min）后，進行測量，每組數(shù)據(jù)均測定3次，取其平均值。

發(fā)酵液中的纖維素為一般短鏈纖維素，可以被溶解，其測定方法為：取適量發(fā)酵液，用 4層紗布過濾去除較大顆粒與浮渣，準(zhǔn)確量取100 mL于500 mL三角燒瓶中，加入20 mL濃HCl，于100 ℃沸水浴中加熱回流1 h，降溫至75 ℃后，加入1 mL冰醋酸和0.5 g亞氯酸鈉繼續(xù)恒溫加熱回流1 h。最后用經(jīng)105 ℃干燥后恒質(zhì)量的250 mL G4玻璃砂芯漏斗過濾，用200 mL熱水洗后，分別用10 mL 95%乙醇、甲苯、丙酮洗滌1次，取下過濾器用蒸餾水清洗外部后置于 105℃干燥箱中烘干至質(zhì)量恒定[13]。

在MFC的研究中用庫倫效率（Coulombic efficiency，CE）衡量陽極的電子回收效率，定義為陽極有機物氧化轉(zhuǎn)化的實際電量和理論計算電量的比值[14]。CE按照下式計算。

式中M為氧氣的分子量，32 g/mol；t為時間，s；I為t時刻的電流，A；T為周期時間，s；n 為每摩爾氧氣被還原轉(zhuǎn)移的電子數(shù)；V為反應(yīng)器容積，m3；F為法拉第常數(shù)，96 485 C/mol；COD0為起始COD濃度，mg/L；CODT為出水COD濃度，mg/L。

1.3.3 微生物群落多樣性及結(jié)構(gòu)分析

本試驗采用 Illumina MiSeq測序平臺對玉米秸稈發(fā)酵沼液、接種物河溝污水及未稀釋沼液MFC中的陽極溶液和陽極碳?xì)值腄NA樣品進行了分析，獲得其菌群結(jié)構(gòu)。沼液MFC陽極溶液與陽極碳?xì)諨NA樣品取自第4產(chǎn)電周期結(jié)束后。首先利用DNA提取試劑盒（Omega Biotec，美國）提取4種樣品中DNA，利用Qubit2.0 DNA檢測試劑盒對基因組DNA精確定量，確定PCR反應(yīng)應(yīng)加入的DNA量。然后對V3-V4區(qū)域進行16s rDNA擴增，所用引物為融合了 Miseq測序平臺的通用引物 341F引物(5'-CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG-barcode-CCT ACGGGNGGCWGCAG-3')和 805R引物(5'-GACTGGA GTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGACTACHVGGG TATCTAATCC-3')，PCR擴增反應(yīng)條件為：94 ℃ 3 min；94 ℃ 30 s，45 ℃ 20 s，65 ℃ 30 s 進行 5 個循環(huán)；94 ℃20 s，55 ℃ 20 s，72 ℃ 30 s進行 20 個循環(huán)；72 ℃ 5 min。第2輪擴增引入Illumina橋式PCR兼容引物，其反應(yīng)條件為 95 ℃ 30 s；95 ℃ 15 s，55 ℃ 15 s，72 ℃ 30 s進行5個循環(huán)；72 ℃ 5 min。在25 μL PCR產(chǎn)物中加入體積6/10的磁珠（Agencourt AMPure XP，Beckman，美國）進行純化，并利用Qubit2.0 DNA檢測試劑盒（Life，美國）對回收純化后DNA精確定量，以方便按照1:1的等量混合后測序。最后將純化混合后樣品置于 Illumina MiSeq平臺進行測序，最后利用Prinseq等軟件和RDP數(shù)據(jù)庫（http://rdp.cme.msu.edu/misc /resources.jsp）、Silva數(shù)據(jù)庫（http://www.arb-silva.de/）等分析所得測序原始數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同COD濃度沼液對MFC性能影響規(guī)律研究

2.1.1 不同濃度沼液MFC產(chǎn)電規(guī)律

在MFC系統(tǒng)穩(wěn)定運行之前，需要經(jīng)過啟動的過程，這一階段，是陽極底物中微生物群落在電池陽極定向選擇與富集的過程，啟動階段的電壓如圖1所示。在MFC未正常啟動時，其輸出電壓在一定時間范圍內(nèi)，保持較低水平。在接種運行75 h后，以原沼液和稀釋2倍沼液為陽極底物的 MFC的輸出電壓開始穩(wěn)步上升，在運行125 h后，其輸出電壓達到最大，隨后稍有降低后，保持基本穩(wěn)定，分別為(302±29)、(232±18) mV。以稀釋4倍沼液為陽極底物的MFC，在接種運行100 h左右，其輸出電壓開始逐漸上升，大約在運行125 h后其輸出電壓達到最大并保持穩(wěn)定，為(112±10) mV。而以稀釋8倍沼液為陽極底物的MFC，在接種運行后200 h一直保持較低電壓輸出，未能正常啟動。由此可以得出，即使在啟動階段，不同濃度底物的MFC輸出電壓值存在很大差異。此外，由于在陽極底物中存在較高比例的未分解的固形有機物質(zhì)，所以與單一有機物質(zhì)，如葡萄糖、乙酸等相比，產(chǎn)電啟動時間較長，同時整個產(chǎn)電周期持續(xù)時間較長[15]。

圖1 不同濃度沼液MFC啟動階段的電壓隨時間變化Fig.1 Start voltage output of MFCs with different concentration biogas slurry

圖2a－圖2d為外電阻1 000 Ω時，不同濃度沼液為陽極底物的MFC在4個產(chǎn)電周期內(nèi)的電壓輸出情況。在MFC成功啟動后，每個產(chǎn)電周期內(nèi)，產(chǎn)電趨勢大致呈快速上升，達到最大值后緩慢下降的過程，此過程大約持續(xù)15 d，所以在MFC正常運行過程中，每隔15 d左右需要重新注入新的料液。以原沼液與稀釋 2倍沼液為陽極底物的MFC，在成功啟動后的3個產(chǎn)電周期內(nèi)，最大峰值較為接近，且能維持一段時間，證明MFC啟動成功且可以穩(wěn)定運行。以稀釋4倍和稀釋8倍為底物的MFC，啟動后 3個周期產(chǎn)電峰值相差較大，且穩(wěn)定時間較短，說明以此為底物的MFC運行穩(wěn)定較差。其原因可能為，稀釋倍數(shù)過大，有機物含量較小，不能維持產(chǎn)電微生物持續(xù)分解利用產(chǎn)生電能。

圖2 不同濃度沼液MFC輸出電壓變化Fig.2 Voltage output of MFCs with different concentration biogas slurry

從圖3a功率密度曲線可以看出，原沼液、稀釋2倍、稀釋4倍、稀釋8倍沼液最大功率密度分別為203.4、60.8、36.6、3.2 mW/m2。Feng等[16]曾利用單室空氣陰極MFC，以不同濃度啤酒廢水為底物的產(chǎn)電試驗，發(fā)現(xiàn)MFC的最大功率密度隨廢水濃度的升高而線性增大。與本試驗結(jié)果一致，本試驗中沼液濃度與功率密度之間的線性擬合結(jié)果為y=0.0620x-29.234 8，R2=0.956 7（圖4）。但屈原津[17]利用以谷殼發(fā)酵液為底物的單室 MFC研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量濃度超過4 000 mg/L時，由于MFC系統(tǒng)中用來產(chǎn)電的微生物量有限，且隨著底物濃度增加，體系中有機酸含量上升，影響微生物的代謝活性，致使輸出電壓值降低。此現(xiàn)象在本試驗中沒有出現(xiàn)，說明以玉米秸稈發(fā)酵沼液為陽極底物的MFC體系中菌群結(jié)構(gòu)合理，在較高COD濃度條件下可具有良好的產(chǎn)電性能。

圖3b為不同COD濃度玉米秸稈沼液的極化曲線，分別對歐姆極化區(qū)域進行線性擬合，其結(jié)果如表2所示，從R2可以看出，稀釋2倍與稀釋4倍沼液的線性擬合度較高。隨著有機物濃度的降低，內(nèi)阻逐漸由261 Ω增大至1 822 Ω，致使其輸出功率受到影響。其原因為一方面由于去離子水將沼液稀釋，使溶液中電導(dǎo)率降低，從而增加了MFC的歐姆內(nèi)阻[18]，另一方面，陽極底物濃度影響產(chǎn)電微生物活性，隨著底物濃度升高，微生物活性越強，轉(zhuǎn)移電子能力越強，輸出功率就越大[19]。本試驗中，以原沼液為陽極底物的雙室MFC內(nèi)阻高于馮雅麗等[20]報道的以玉米秸稈發(fā)酵沼液為陽極底物的單室無膜空氣陰極MFC，其內(nèi)阻為53～150 Ω，致使本試驗所得功率密度略低于該研究。但本研究MFC內(nèi)阻要遠(yuǎn)低于曹琳等[21]報道的以牛糞發(fā)酵沼液為陽極底物的單室無膜空氣陰極MFC，其最大功率密度為10.98 mW/m2，遠(yuǎn)低于本研究。

圖3 不同濃度沼液MFC功率密度曲線和極化曲線Fig.3 Power density and polarization curves of MFCs with different concentration biogas slurry

圖4 玉米秸稈沼液濃度與最大功率密度的關(guān)系Fig.4 Relationship between biogas slurry concentrations and maximum power density

表2 不同濃度沼液MFC極化曲線線性擬合結(jié)果Table 2 Polarization curve fitting results of MFCs with different concentration biogas slurry

2.1.2 不同濃度沼液MFC有機物降解規(guī)律與庫倫效率

從不同濃度沼液MFC COD去除率及庫倫效率變化情況（表 3）看，COD去除率隨著稀釋倍數(shù)的增加而減小，除稀釋8倍沼液外，CE隨著稀釋倍數(shù)的增加而逐漸增加，其原因為，從外電路電壓輸出情況看，以稀釋 8倍沼液為陽極底物的MFC未能正常啟動，能量回收效率較低。由于在本試驗中，陽極底物停留時間較長，MFC 運行過程中擴散到陽極一定量的氧氣，有機物水解過程中有部分好氧菌作用，消耗能量，所以，本試驗以玉米秸稈發(fā)酵沼液為陽極底物的 MFC與其他原料為底物的MFC相比，CE較低，而且有機物含量越高，水解反應(yīng)越強，所以沼液COD濃度越高，庫倫效率越低。因此需進一步改進MFC構(gòu)型及運行條件，以獲得更高的能量回收效率。

經(jīng)一個產(chǎn)電周期處理后，以原沼液為底物MFC陽極溶液中短鏈纖維素質(zhì)量濃度為(289±56.4) mg/L，與未處理原沼液相比，其去除率為67.2%，由此可見，沼液中存在水解反應(yīng)，纖維素等大分子有機物可被進一步降解。

表3 不同濃度沼液MFC COD變化情況和庫倫效率Table 3 COD changes and CE for different concentrations biogas slurry MFCs

2.2 微生物燃料電池陽極菌群結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 菌群多樣性分析

表4為4類樣品菌群多樣性分析（Alpha多樣性），反映微生物群落的豐度和多樣性，結(jié)果顯示MFC反應(yīng)器中陽極碳?xì)种胁僮鞣诸悊卧╫perational taxonomic units，OTU）數(shù)目略低于陽極溶液，皆與沼液OTU數(shù)目相差較小，且都高于河溝污水。ACE和 Chao是估計群落中含OTU數(shù)目的指數(shù)，Chao在生態(tài)學(xué)中常用來估計物種總數(shù)，其數(shù)值略高于所測得的樣品中的OTU數(shù)目。Shannon和Simpson指微生物多樣性指數(shù)，可以看出沼液中微生物Shannon指數(shù)最高，同時Simpson指數(shù)最低，說明沼液中菌群多樣性最高，菌群結(jié)構(gòu)非常豐富；接種物河溝污水的Shannon指數(shù)最低，同時Simpson指數(shù)最高，說明河溝污水菌群多樣性最低。

表4 菌群多樣性分析Table 4 Diversity analysis of microbial communities

2.2.2 菌群結(jié)構(gòu)分析

為了更好地分析原沼液、接種物、陽極溶液與陽極電極生物膜4類樣品微生物群落結(jié)構(gòu)的聯(lián)系與差別，按照門、綱、屬3個等級進行分類，如圖5、圖6與表5所示。

圖5 4類樣品中主要菌門所占比例Fig.5 Distribution of main phyla in four samples

圖6 4類樣品微生物群落結(jié)構(gòu)分布圖（以菌綱分類）Fig.6 Distribution of microbial community for four samples (class)

從圖6中4種樣品菌群結(jié)構(gòu)來看，陽極溶液與沼液微生物菌群結(jié)構(gòu)相似，其中沼液中存在最多的菌綱為Clostridia（36%），其次為 Bacteroidia（30%）、Synergistia（8%）、Flavobacteria（7%）、Spirochaetia（3%）。其中，Clostridia菌綱屬于Firmicutes菌門，可以產(chǎn)生纖維素分解酶，可將纖維素分解為糖、有機酸及醇類等小分子物質(zhì)[22-23]，其在陽極溶液中約占 22%，在陽極碳?xì)稚锬ど险?10%；Bacteroidia和 Flavobacteria屬于Bacteroidetes菌門，Bacteroidia可水解包括纖維素等復(fù)雜的有機物質(zhì)[24-25]，在陽極溶液中占 39%，在陽極碳?xì)种姓?20%；Flavobacteria廣泛存在與自然界泥土污水等，可分解碳水化合物產(chǎn)酸，在陽極溶液和陽極碳?xì)种芯?%左右。以上3種菌綱為MFC陽極中起到水解作用的主要菌群。Spirochaetia是一類廣泛存在于厭氧發(fā)酵中菌綱，可將糖類物質(zhì)進一步水解為酸[26]，在陽極溶液中約占2.3%，它可將MFC中大分子物質(zhì)分解為VFA。此外，原沼液中還含有 2%的 Betaproteobacteria與 1%的Gammaproteobacteria， Kim 等[27]研 究 表 明Betaproteobacteria和 Gammaproteobacteria菌綱可參與MFC的產(chǎn)電，由此可見沼液中也含有少量產(chǎn)電細(xì)菌，這2種菌綱在陽極溶液中占有量為3%～4%。由于沼液中產(chǎn)甲烷菌屬于嚴(yán)格專性厭氧菌，在試驗操作過程中，所用沼液經(jīng)過取樣過濾等環(huán)節(jié)，與空氣接觸，所以使得所測沼液中攜帶的產(chǎn)甲烷菌含量很少，因此MFC中幾乎不含有產(chǎn)甲烷菌，不會與產(chǎn)電微生物產(chǎn)生底物競爭。如表 5所示，MFC陽極溶液中的水解細(xì)菌以 Cloacibacillus、Proteiniphilum、Clostridium和Sphaerochaeta等幾種菌屬為主，主要來源于發(fā)酵沼液，他們可將短鏈纖維素、淀粉和蛋白質(zhì)等物質(zhì)分解為小分子的糖和酸等，可為產(chǎn)電微生物提供直接分解底物[28]。

與沼液和陽極溶液相比，接種物河溝污水中菌群結(jié)構(gòu)較為簡單，只含有 5類菌門，18類菌綱，其中Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria是接種物中三大主要菌門，分別占其微生物總量的 75%、16%和6%。與沼液菌群結(jié)構(gòu)不同，接種物中Bacteroidetes菌門主要以 Flavobacteria為主，占該菌門 80%。在Proteobacteria下主要包含 4個菌綱分別為Betaproteobacteria（65%）、Gammaproteobacteria（24%）、Alphaproteobacteria（10%）、和 Deltaproteobacteria（1%）（圖6），且這4類菌綱均包含產(chǎn)電微生物[29]，在陽極碳?xì)稚锬ど戏謩e占微生物總量的11%、20%、8%和2%。有研究表明以葡萄糖和谷氨酸鹽為底物的MFC菌群中以Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria菌綱為主[27]；以醋酸鹽為底物的 MFC 的微生物群落以Deltaproteobacteria菌綱為主[30]，而在以復(fù)合生物質(zhì)為底物的MFC中，幾種微生物的分布會隨著MFC運行時間和運行狀態(tài)的不同而有所不同[31]。

如表 5所示，在陽極碳?xì)稚锬ど蠙z測到約 5%的Pseudomonas菌屬，屬于Gammaproteobacteria菌綱，它可以產(chǎn)生化學(xué)中介體綠膿菌素，可將電子轉(zhuǎn)移到電極[32]。此外，經(jīng)過分析陽極碳?xì)种蟹植驾^多的菌屬還有Azotobacter、Solibacillus和Paracoccus 3類菌屬，分別約占陽極碳?xì)稚锬の⑸锟偭康?12%、5.46%和 5.3%，分別屬于 Gammaproteobacteria、Clostridia和Alphaproteobacteria 3類菌綱，推測此3類菌屬可能參與玉米秸稈發(fā)酵沼液MFC的產(chǎn)電過程。在本試驗MFC中未檢測到文獻中廣泛報道的產(chǎn)電細(xì)菌 Shewanella 和Geobacter菌屬[25,33]，可能與接種物不同或所用陽極底物不同有關(guān)。除此之外，陽極生物膜上存在約 5%的Hydrogenophaga菌屬，主要來自接種物河溝污水，此類菌屬可消耗陽極產(chǎn)生的H2，降低沼液MFC產(chǎn)電性能，也是導(dǎo)致本試驗中MFC庫倫效率較低的原因之一。

表5 所測得主要菌屬在4類樣品中所占比例及所屬菌綱Table 5 Main genus consisted in four samples and their related class %

通過以上分析可知，玉米秸稈沼液MFC陽極溶液中菌群主要來源于沼液，以水解細(xì)菌為主；陽極碳?xì)稚锬ど系奈⑸镏饕獊碓从诮臃N物，以產(chǎn)電菌為主。試驗證明，以玉米秸稈發(fā)酵沼液為陽極底物的MFC菌群結(jié)構(gòu)合理，MFC可以利用沼液中的水解細(xì)菌進一步分解沼液中的纖維素等大分子物質(zhì)，同時可以富集接種物中的產(chǎn)電細(xì)菌，分解小分子有機物產(chǎn)生電能，避免VFA大量積累。來自于沼液中的水解細(xì)菌與來自于接種物中的產(chǎn)電菌在MFC體系中可以互利共生。所以在較高COD濃度條件下，MFC可持續(xù)產(chǎn)電，并未出現(xiàn)高濃度抑制現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

1）通過對以不同化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）濃度沼液為陽極底物的微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）研究，當(dāng)初始COD質(zhì)量濃度為(3 618.6±55.6) mg/L時，其最大功率密度為 203.4 mW/m2，COD去除率可達63%，并且隨著沼液中有機物濃度降低，MFC運行穩(wěn)定性越差，最大輸出功率密度成線性降低。

2）通過微生物菌群多樣性和菌群結(jié)構(gòu)分析可知，MFC可以利用沼液中的水解細(xì)菌分解沼液中的纖維素等大分子物質(zhì)，主要以 Clostridia、Flavobacteria和Bacteroidia菌綱為主，同時可以富集接種物中的產(chǎn)電細(xì)菌，分解小分子有機物產(chǎn)生電能，2類微生物可以互利共生。以玉米秸稈發(fā)酵沼液為陽極底物的MFC中菌群結(jié)構(gòu)合理，并未出現(xiàn)高濃度抑制現(xiàn)象。

3）陽極生物膜中的主要產(chǎn)電菌屬為 Pseudomonas，約占MFC陽極生物膜微生物總量的5%，對于以秸稈類沼液為陽極底物的MFC，可人為接種或富集此類菌屬，以縮短MFC啟動時間，提高產(chǎn)電效率。