基于暗/光反应反转电极极性的藻菌共生双生物电极微生物燃料电池单电极交替降解偶氮染料与同步产电研究

难降解有机废水处理依然是世界难题，能耗和处理费用高。微生物燃料电池（MFC）能在增强降解有机污染物的同时产生电能而成为一种全新概念的废水处理技术。本项目拟在前期研究的基础上，针对MFC同步降解偶氮染料和产电过程中偶氮染料及其降解产物对阳极产电菌活性的抑制、偶氮染料脱色液矿化率不高、阴极负载金属催化剂和需曝气以及使用缓冲液导致的问题，构建新型的"光合藻/菌共生双生物电极MFC"，在基于暗/光反应周期反转电极极性下深入探讨单电极交替降解偶氮染料与同步产电的特性与机制。探明反转电极极性过程中单电极的pH自缓冲机制；解释藻菌共生生物膜在暗反应下对偶氮染料的厌氧脱色和光反应下对偶氮染料脱色产物的好氧矿化效能与机理；探明过程的电子传递机制；建立优化运行条件与参数的调控策略；解析藻菌共生生物膜微生态演变、空间分布等分子生态学机制。为构建MFC同步处理偶氮染料废水与产电技术基础理论框架提供理论依据。

通过单电极驯化再组装成全电池的方式构建了藻菌微生物燃料电池（MFC），并在反转极性运行模式下成功实现了MFC同步阴、阳极pH动态自缓冲、全过程降解刚果红和产电。研究结果表明，反转极性前，阳极主要阳离子优先于H+跨膜传递导致阳极H+的积累和酸化及阴极OH+积累和碱化。反转极性后，阳极H+被新生成的OH+中和，阴极OH+被新生成的H+中和，实现了pH自缓冲。 藻菌MFC反转极性后的最大功率密度为61 mW/m2，比反转前的78 mW/m2低22%，由溶解氧（DO）浓度降低导致。原因有两方面：一是反转极性后，阴极刚果红脱色产物自氧化重新反色，削弱了小球藻光合作用。二是刚果红脱色产物好氧降解与阴极竞争DO。反转后阴、阳极性能相对于反转前有显著改善，归咎于反转极性前阴、阳极积累的高浓度H+和OH-在反转极性后充当了新电极的反应物，改善了阴、阳极电化学反应动力学。交流阻抗结果表明，反转极性对阴极性能的改善程度要显著大于阳极，原因在于刚果红脱色产物可作为电子介体极大促进阴极电子传递。反转极性pH自缓冲和产电过程中，同步实现了刚果红的全过程降解。藻的加入强化了刚果红降解。与无藻MFC相比，刚果红脱色速率提高2.1倍，刚果红脱色产物矿化率提高7%，矿化速率提高20%。扫描电镜清楚观察到电极表面形成了成熟的藻菌生物膜。通过高通量测序和构建16S rRNA基因库测试了用于和未用于降解刚果红的藻菌生物膜电极中细菌多样性。结果表明，在降解刚果红和未用于降解刚果红的藻菌生物膜中，主要存在十类优势细菌，在细菌的属水平分别为：Ignavibacterium, Bellilinea, Clostridium sensu stricto, Chlorobaculum, Longilinea, Acidobacteria_Gp3_uncl, Thermomonas, Pusillimonas, Petrimonas 和 Desulforhabdus。这些细菌归属于好氧、厌氧或兼氧菌，在有机物降解和产电方面各具专长，基于藻的交替暗（厌氧）/光（好氧）反应及降解刚果红为这些细菌的共存创造了条件。截止到目前，本研究共发表SCI论文6篇（一区top 5篇，三区1篇）。此外，待发表SCI论文2篇。申请发明专利1项。培养博士后1名（晋升副研究员），硕士2名，达到了预期的研究目标。