自发电场人工湿地中电子原位传导受纳与Cr(Ⅵ)还原联动机制研究

Cr(Ⅵ) contamination in water is an urgent environmental problem. Cr(Ⅵ) can transform to Cr(Ⅲ) and get immobilized by plants in the microbial fuel cell-constructed wetlands (MFC-CWs) with spontaneous electric field, which was considered to be an important technology to remove Cr(Ⅵ) from water. This project is intended to investigate the Cr(Ⅵ) reduction mechanism and the bio-electrochemistry process. The main work of this project will be to investigate the transformation of electron donors and electron acceptors from the reaction rates at the anode and cathode of the wetland, using self-potential methods in geophysics and CV, EIS methods in electrochemical workstation, and then to identify the electrogenesis pattern and the characteristics of in situ electric field under the existence of Cr;to explore the transformation and distribution rule of Cr in the electric field evolution process, using XPS, EPR and FTIR methods, and then to understand the Cr(Ⅵ) reduction mechnism under in situ electron conduction condition;to investigate the characteristics of microbial community, metabolic characteristics of carbon source and the influence of plants on the system’s electrochemistry characteristics, using CLPP, high-throughput, EPR and XANES methods, and then to understand how the plants and microorganisms in the wetland respond to in situ electric field. The implementation of this project will provide technical support for removing Cr(Ⅵ) from the environment using MFC-CWs system.

Cr(Ⅵ)污染是亟待解决的水环境问题，利用微生物燃料电池人工湿地（MFC-CWs）自发电场中电子的原位迁移，驱动Cr(Ⅵ)向Cr（Ⅲ）转化进而被植物固定，有望成为水体Cr(Ⅵ)污染修复的重要途径。本研究以阐明生物电化学过程与铬价态转化的联动机制为目标，从微生物燃料电池人工湿地两极的反应速率入手，采用自然电场法、CV、EIS等手段研究床体两极电子供体及电子受体的形态转化，明确产电规律及原位电场分布特征；利用XPS、EPR、FTIR等手段，探明电场演变过程中铬在湿地中的迁移分布规律，揭示电子原位传导利用条件下Cr(Ⅵ)的还原机制；通过CLPP、高通量测序、EPR、XANES方法，查清微生物的群落结构与碳源代谢演变规律，以及植物对电化学特征的影响，阐明植物与微生物对自发电场的联动响应规律。本研究为揭示人工湿地生物电化学过程强化净化水体Cr(Ⅵ)机制奠定基础，为提高Cr(Ⅵ)净化效率提供科学依据。

水体中铬主要以Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)存在，Cr(Ⅵ)的毒性约为Cr(Ⅲ)的10-100倍。人工湿地微生物燃料电池(CW-MFC)在去除废水中的有机污染物、总氮、重金属和其他污染物以及产电方面具有高效率和低成本的特点。李氏禾是在中国发现的首个湿生铬超富集植物，对Cr(Ⅵ)有很强的富集和耐受能力。本项目拟在前期研究的基础上，构建李氏禾人工湿地微生物燃料电池系统，以阐明生物电化学过程与铬(Cr)迁移分布及价态转化的联动机制为目标，从李氏禾CW-MFC系统对Cr(Ⅵ)废水污染物的去除及产电作用入手，探明系统中Cr的迁移分布和形态转化规律，揭示李氏禾CW-MFC系统中Cr(Ⅵ)的还原机制。本项目主要的研究成果如下：.1. 优选出COD浓度为300 mg·L-1，Cr(Ⅵ)浓度为80 mg·L-1，HRT为3 d时李氏禾CW-MFC系统产电效率及COD、Cr(Ⅵ)的去除率达到最大。.2. 当DO浓度为4.5 L·min-1时，阴极区曝气显著促进了李氏禾CW-MFC的电压输出、功率密度增大和有机物消耗，而且提高了李氏禾对Cr的吸收，促进了Cr(VI)向Cr(III)的转化。.3. 李氏禾CW-MFC系统的污染物去除率和产电能力均高于对照组（李氏禾CW系统）。李氏禾CW-MFC系统中李氏禾、基质的总Cr和Cr(III)含量均高于对照组，XPS结果显示活性炭表面的Cr(Ⅵ)大多数被还原成了Cr(III)。此外，与CW系统相比，李氏禾CW-MFC系统中植物的EPR信号幅度更大，这表明CW-MFC系统植物组织中Cr(VI)的还原反应更为强烈。XAFS数据进一步表明，Cr(VI)被还原为Cr(III)，并主要以Cr(III)的形式储存在叶中。Cr(III)是植物组织中Cr积累的主要形式，李氏禾在CW-MFC系统中可以将Cr(VI)还原为Cr(III)。.4. 李氏禾CW-MFC系统中的优势菌种为地杆菌属Geobacter，作为主要的产电菌和金属异化还原菌，这主要与系统的产电和Cr(Ⅵ)的还原有关。.研究结果为阐明李氏禾CW-MFC系统中Cr(VI)还原的生物电化学机理提供理论基础，为提高Cr(VI)污染水体的生态修复效率提供科学依据。