微生物燃料电池（MFC）调控人工湿地（CW）甲烷排放机制研究

Global warming is becoming more severe. We here propose an innovative green technique aimed at the CH4 emission from constructed wetland (CW) in which CH4 is controlled by microbial fuel cells (MFC). The main focus of this project is to explore the mechanism underlying competition between electrogenesis and methanogenesis at the anode anaerobic area of MFC and its effect on CH4 emissions. The MFC-CWs are constructed in both laboratories and the field. The parameters of CH4 fluxes, electricity generation performance, coulombic efficiency, microbial community structure, and quantification were conducted using real-time quantitative PCR (q-PCR). We assessed the transport process of metabolites using three-dimensional fluorescence to explore the cooperative and competitive mechanisms among exoelectrogens, methanogens and non-exoelectrogens. The effects and mechanism of plant species and the location of the plant roots on electrodes (anode and cathode) were also investigated. The in-situ test for the enhanced control of CH4 in the field was also conducted. Based on these results, the mechanism underlying the effects of MFC on CH4 control was systematically elucidated, the optimal parameters for operation were put forward, and the CH4 regulation and control model was constructed for use. This research may provide guidance for CH4 control and energy conservation in CW, and thus promote the sustainable development of wastewater treatment in China.

在全球变暖日益严峻的背景下，针对人工湿地（CW）甲烷排放，提出了一种绿色减排技术，即通过微生物燃料电池（MFC）控制甲烷排放，重点探讨MFC厌氧区域产电过程与产甲烷过程的竞争机制对甲烷排放的影响，探明MFC减排甲烷的内在机制。在室内和野外运行MFC-CW，通过对甲烷排放、产电性能、库仑效率、微生物群落结构的测序和实时荧光定量（q-PCR）、以及代谢产物迁移过程的三维荧光扫描等进行分析，探明产电菌群，产甲烷菌群以及其它非产电菌群之间的相互作用与竞争机制对甲烷排放的影响。同时，对植物类型及其根系在电极的位置对MFC-CW系统中产电与甲烷排放的作用机制进行探讨。并进一步在野外开展提高MFC-CW减排效果的原位强化试验。基于研究结果，系统阐明MFC调控甲烷排放的机制，提出优化系统运行的参数与方案，建立调控模型。以期为人工湿地（CW）节能减排的工程化应用提供指导，促进我国污水处理的可持续发展。

本研究针对人工湿地（CW）甲烷排放，提出了一种绿色减排技术，即通过微生物燃料电池（MFC）对人工湿地甲烷排放进行调控，重点探讨了MFC厌氧区域产电过程与产甲烷过程的竞争机制对甲烷排放的影响，探明了MFC减排甲烷的内在生物学机制。在人工湿地运行MFC可有效控制甲烷排放（30.4%-50.7%）。对湿地植物类型在CW-MFC系统中对产电性能和甲烷排放进行了探索，发现植物类型虽然对污水处理效率并不产生显著影响，但对能源回收和温室气体排放产生显著影响。在相同运行条件下，种植了香蒲的CW-MFC系统中甲烷排放通量达到9.5 mg m−2 h−1，是而种植风车草的系统甲烷排放下降了45%。CW-MFC系统中植物根系位于电极的位置对甲烷排放通量和产电性能产生显著影响。植物根系位于阴极可通过增强电子受体从而强化系统电子传递效率。植物根系位于阴极时电压可达到500 mV, 而根系位于阳极时电压和功率密度下降至210 mV和0.1 W m-3以下。当植物根系位于阴极时相应的库伦效率也高于植物根系位于阳极时的库伦效率。因此，在人工湿地构建过程中要特别注意植物配置，以最大限度地获得其环境效益和社会价值。测序分析表明，与Geobacter、Bacteroides和Desulfovibrio相关的菌群在闭路系统中特异性地富集。当植物根系位于阴极中时，更多的产电菌和反硝化细菌(Geobacter, Desulfobulbu, Nitrospira and Anaerolinea)在系统中被检测到。严格的嗜乙酸古菌(Methanosaetaceae)可能是产电菌主要电子供体竞争者。进一步通过宏基因技术对阳极和阴极微生物的代谢途径和代谢通路进行了相关解析，发现引入MFC后CW排放降低的原因并非仅由阳极微生物的竞争关系导致，而是涉及产电微生物、异化金属还原菌，甲烷氧化菌等协同作用的结果。多菌种的协同与竞争是导致产甲烷菌活性下降的重要原因，尤其是其中以金属离子为电子受体的甲烷厌氧氧化菌可能对甲烷减排发挥了关键作用，但其中所涉及的生物学机制并不清楚，还有待开展进一步的研究。该研究系统阐明了微生物燃料电池（MFC）调控人工湿地(CW)甲烷排放的相关机制，可为人为湿地甲烷减排的工程化应用提供理论参考，促进污水处理的可持续发展。