鐘傳強 胡江靈

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

近年來，隨著水環(huán)境治理工作在全國的開展，黑臭水體的底泥污染問題逐漸受到人們的重視。底泥作為污染源，在受到?jīng)_刷、擾動的情況下會再懸浮，釋放污染物，造成水體的二次污染[1-3]。只有對污染底泥進行去污處理，才能確保河道水體的清潔。

目前對于污染底泥的處理方法包括物理修復、化學修復和生物修復等[4]。物理修復主要包括以掩蔽為主的原位處理和以疏浚為主的異位處理[5]，原位處理往往不徹底，而異位處理工程量大，造價高，且容易對環(huán)境造成二次污染；化學修復雖然高效，但是對原生態(tài)系統(tǒng)帶來的潛在影響不明確；生物修復需要投加植物或外源微生物、電子受體或供氧劑[6]來加快污染降解速率，雖然對環(huán)境影響較小，但容易受到水流條件和土著微生物等的影響而弱化修復效果。近年來，利用沉積物微生物燃料電池(SMFC)原理的生物電化學處理方法作為一種新理念，逐漸受到人們的重視。

SMFC是一種可將陽極區(qū)沉積物中的有機質(zhì)分解并產(chǎn)生電能的新型生物修復技術(shù)。電池包括埋在水底沉積物中的陽極和懸浮或漂浮于水體的陰極，電池在運行過程中消耗陽極附近的污染物并產(chǎn)生電能，達到底泥污染物降解的目的[7-8]。

關(guān)于SMFC的研究最早可追溯到2001年，REIMERS等[9]使用鉑網(wǎng)作為陽極，嵌入海洋沉積物中，使用石墨纖維作為陰極，嵌入表面海水中，利用海洋沉積物中的微生物和有機物獲得了最大為0.01 W/m2的持續(xù)功率，并研究它為海洋監(jiān)測設(shè)備長期提供持續(xù)電力的可行性。此后，關(guān)于SMFC產(chǎn)電去污的研究迅速發(fā)展，但大多數(shù)仍停留在實驗室階段，用于現(xiàn)場的研究較少。

本研究結(jié)合深圳市寶安區(qū)新涌河的現(xiàn)場情況，基于SMFC原理，將用于護岸工程的蜂巢格室結(jié)構(gòu)[10-11]與碳網(wǎng)結(jié)合制成陽極，構(gòu)建現(xiàn)場大尺度SMFC裝置，研究該裝置的去污性能，并通過高通量測序，分析實驗前后微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，希望為SMFC的現(xiàn)場應用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 實驗背景

本實驗區(qū)域位于深圳市寶安區(qū)新涌河口，由于工程施工及上游污水排放等原因，該河流污染較為嚴重，底泥存在明顯的黑臭現(xiàn)象。該區(qū)域受海洋潮汐作用影響較大，潮汐屬于不正規(guī)半日潮，最高水位約2 m，退潮后底泥露出，為實驗裝置提供了干法施工的條件。實驗前測得區(qū)域上覆水體pH為8.0，鹽度為3.0 g/L，溶解氧為1.5～2.5 mg/L。

1.2 實驗設(shè)計

實驗裝置布置在現(xiàn)場，設(shè)計了實驗組以及空白組各一組。實驗組及空白組單個區(qū)域均長3.2 m，寬1.4 m。實驗組為蜂巢格室結(jié)構(gòu)熱壓碳網(wǎng)陽極的SMFC裝置(見圖1)，空白組不做任何處理。實驗組陽極結(jié)構(gòu)見圖2(a)，采用護岸工程中常用的蜂巢格室結(jié)構(gòu)，熱壓碳網(wǎng)提供導電性。蜂巢格室單個格室長210 mm，寬245 mm，高200 mm，插入底泥中，布滿整個實驗區(qū)域。陰極結(jié)構(gòu)見圖2(b)，由兩層石墨氈中間夾一層鈦絲網(wǎng)構(gòu)成，長40 cm，寬20 cm，四周均勻綁扎漂浮球，可漂浮于水面上；電極通過鈦絲外接銅導線構(gòu)成回路，外接680 Ω的電阻，接口處用硅橡膠密封。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 陽極和陰極示意圖

由于上覆水體流動較快，為避免底泥的運動對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾，使用寬木板對區(qū)域進行分隔。實驗開始前，清除雜物，并使用機械攪拌器確保底泥混合均勻。

1.3 檢測指標與方法

使用無紙記錄儀(SIN-R9600)實時記錄檢測外電路電壓的變化，每隔5 min記錄一次數(shù)據(jù)。使用溶解氧測定儀(JPB-607A)隔天測定水體中溶解氧含量。使用pH計(AZ8684)隔天測定水體pH，使用鹽度計(AZ8371)隔天測定水體鹽度。

本實驗區(qū)域較大，為確保取樣的均勻性，降低實驗誤差，取底泥樣品時均勻采集5個點，充分混合后送檢。使用Multi N/C 3100總有機碳(TOC)分析儀聯(lián)合HT1300固體模塊測定TOC，參照《土壤質(zhì)量 全氮的測定 凱氏法》(HJ 717—2014)測定全氮(TN)。

1.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

1.4.1 DNA提取

使用TGuide S96磁珠法土壤/糞便基因組DNA提取試劑盒，從濕質(zhì)量為300 mg的泥樣中提取細菌DNA，將DNA儲存在-80 ℃條件下待用。通過1%瓊脂糖凝膠電泳和分光光度法(利用波長260、280 nm下吸光度比值)，可清晰反映樣品的純度水平。

1.4.2 聚合酶鏈式反應(PCR)擴增

用引物擴增細菌16S rDNA的全長，其中正向引物為27F：5’-AGRGTTTGATYNTGGCTCAG-3’，反向引物為1492R：5’-TASGGHTACCTTGTTASGACTT-3’。PCR擴增的總體積是30 μL，包含15 μL緩沖液，0.2 μL Q5高保真DNA聚合酶，10 μL高鳥嘌呤和胞嘧啶(GC)增強劑，1 μL脫氧核糖核苷三磷酸(dNTP)，10 μmol/L正向和反向引物,50 ng 環(huán)境中提取的總DNA。PCR循環(huán)體系如下：95 ℃預變性2 min，98 ℃變性10 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸90 s，共25個循環(huán)，72 ℃保持2 min。

對擴增產(chǎn)物進行Qubit定量和1.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測后，使用SMRTbell Template Prep Kit建庫試劑盒回收擴增產(chǎn)物，經(jīng)過AMpure PB磁珠純化后得到測序文庫，質(zhì)檢合格的文庫使用Sequel Ⅱ測序平臺進行上機測序。

1.4.3 多樣性分析

通過對環(huán)形一致性測序(CCS)序列過濾，操作分類單元(OTU)聚類，物種注釋及豐度分析，揭示樣品的物種構(gòu)成，并進一步進行多樣性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 TOC和TN的變化

經(jīng)檢測，實驗開始前實驗區(qū)域底泥(即初始樣品)中TOC為15.37 mg/g。3個月后，實驗組的TOC為7.72 mg/g，空白組的TOC為9.47 mg/g(見圖3)，實驗組比空白組低18.5%。空白組底泥TOC下降38.4%，實驗組底泥TOC下降49.8%，實驗組底泥的TOC降解量為空白組的1.3倍。本研究TOC降解與已有研究相比具有一定的進步，例如LI等[12]2構(gòu)建的SMFC，經(jīng)過兩個月的運行，TOC降解量為空白組的1.2倍；李燕青等[13]構(gòu)建的SMFC運行33 d后，有機質(zhì)最高去除率為17.12%；HONG等[14]搭建的SMFC經(jīng)過9個月的運行后，有機質(zhì)下降21.9%。本實驗構(gòu)建的SMFC裝置為現(xiàn)場施工，實驗區(qū)域為開放河口，難免會產(chǎn)生一定的實驗誤差，但分析整個實驗過程中的數(shù)據(jù)變化可發(fā)現(xiàn)，本實驗裝置對底泥中TOC的降解有較明顯的促進作用。

圖3 TOC的變化

經(jīng)檢測，實驗開始前實驗區(qū)域底泥中的TN為853 mg/kg。3個月后，空白組TN為1 270 mg/kg，實驗組TN為984 mg/kg(見圖4)，實驗組比空白組TN低22.5%，高于LI等[12]2實驗得到的數(shù)據(jù)(18.5%)。實驗開始一個月后，空白組底泥TN含量明顯上升，實驗組底泥的TN含量雖有所上升，但明顯低于空白組。由于實驗區(qū)域為開放河口，上覆水體和底泥之間持續(xù)進行物質(zhì)交換，底泥中污染物的含量受上覆水體的影響。故空白組TN含量的升高，可能與7—9月間，新涌河河水的氮污染加重有關(guān)，遺憾的是，實驗過程中未對上覆水體中的COD和TN含量進行檢測。3個月后，實驗組底泥TN含量明顯低于空白組，證明該裝置對于底泥TN的降解具有一定的促進作用。

圖4 TN的變化

實驗過程中也對電壓進行了記錄，裝置于7月23日安裝運行，啟動電壓為0.15 V。此后，隨著陽極上生物膜的形成，電壓持續(xù)上升，到8月14日達到最大值(0.78 V)。之后一個月內(nèi)，電壓穩(wěn)定在0.6 V左右，直到9月中旬，電壓開始逐漸下降，可能與裝置的老化以及污染物濃度的下降有關(guān)。本實驗構(gòu)建的SMFC產(chǎn)生的電壓與其他類似的現(xiàn)場大尺度SMFC相當[15]。

2.2 微生物群落分析

2.2.1 Alpha多樣性分析

Alpha多樣性反映的是單個樣品物種豐度及物種多樣性[16-17]，其中Chao1指數(shù)可以用來衡量物種的豐度即物種數(shù)量的多少。實驗組的Chao1指數(shù)為1 341.50，高于空白組的1 337.69，物種豐度有較小提升，但實驗組的Chao1指數(shù)低于初始樣品的1 438.55，這可能與實驗過程中的環(huán)境變化有關(guān)。因為本實驗在開放環(huán)境下進行，干擾因素較多，且已有學者證明，溫度會對微生物群落產(chǎn)生影響，夏季微生物的物種豐度要高于秋冬季節(jié)[18]。

Alpha多樣性也可以用Simpson指數(shù)來衡量，Simpson指數(shù)越小，說明物種多樣性越高。運行3個月后，實驗組的Simpson指數(shù)為0.007 3，低于初始樣品的0.009 2和空白組的0.007 8，證明SMFC能夠提高陽極附近的微生物群落多樣性。

另外，實驗統(tǒng)計了OTU覆蓋率，其數(shù)值越高，則樣本中物種被測出的概率越高。初始樣品、空白組和實驗組的OTU覆蓋率分別為0.998 6、0.999 5和0.999 2，這表明測序結(jié)果可以代表樣本中微生物的真實情況。

2.2.2 群落結(jié)構(gòu)分析

在SMFC中，以各種功能菌為代表的微生物是降解有機污染物的生物基礎(chǔ)[19]。陽極微生物群落在門水平上的分布見圖5，初始樣品和空白組的優(yōu)勢菌門均為綠彎菌門、變形菌門，兩者在初始樣品中的占比分別為31.73%、29.95%，在空白組中的占比分別為30.35%、29.33%；而實驗組的優(yōu)勢菌門為變形菌門、綠彎菌門，占比分別為32.78%、26.49%。變形菌門因其具有提供電子的能力而在SMFC中占優(yōu)勢[20]，這與前人的實驗結(jié)果相似[21]。藍菌門在實驗組中的相對豐度為5.43%，高于初始樣品的4.05%和空白組的2.90%，在閉路SMFC條件下發(fā)生了富集，此前已經(jīng)有學者證明藍菌門能夠在SMFC中發(fā)電[22]。此外，厚壁菌門和放線菌門也發(fā)生富集，而擬桿菌門的相對豐度有所下降?？梢钥闯?，SMFC的引入會對沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

圖5 門水平細菌相對豐度分布

陽極微生物群落在綱水平上的分布見圖6，初始樣品、空白組和實驗組的優(yōu)勢菌綱均為厭氧繩菌綱、δ-變形菌綱和γ-變形菌綱，厭氧繩菌綱的相對豐度最大，在初始樣品、空白組和實驗組中的相對豐度分別為26.40%、28.86%、25.36%。δ-變形菌綱被認為是電子傳遞到電極上的原因[23]，在初始樣品、空白組和實驗組中的相對豐度分別為12.91%、13.32%、12.64%，沒有在陽極附近富集，發(fā)電屬性未得到體現(xiàn)。γ-變形菌綱負責電子傳遞和發(fā)電，在初始樣品、空白組和實驗組中的相對豐度分別為13.39%、11.94%和14.53%。梭菌綱發(fā)生了一定程度的富集，這與此前的研究相吻合[24]。

圖6 綱水平細菌相對豐度分布

在屬水平上，此前的研究表明SMFC將刺激脫硫球莖菌屬(Desulfobulbus)豐度的增加[25]，本實驗中，脫硫球莖菌屬相對豐度從1.81%增長到2.51%。作為最常見的產(chǎn)電細菌之一，地桿菌屬(Geobacter)常被認為參與發(fā)電[26]，但在本實驗中并沒有得到體現(xiàn)，此前部分研究者也得到了相似的結(jié)果[27-28]。

3 結(jié) 語

運行3個月后，實驗區(qū)域底泥的TOC、TN分別比空白組低18.5%、22.5%，證明SMFC在一定程度上能加快底泥中污染物的降解，為SMFC用于現(xiàn)場產(chǎn)電去污提供了工程經(jīng)驗。SMFC的引入提高了陽極附近沉積物中微生物群落的多樣性，微生物群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變。變形菌門成為最優(yōu)勢菌門，一些常見的發(fā)電菌(脫硫球莖菌屬等)得到富集，但也有部分常見的發(fā)電菌，例如地桿菌屬，在本實驗中并沒有得到體現(xiàn)。