共存条件下重金属离子与阳极电活性生物膜互作机理及其环境意义

The anode of bioelectrochemical systems (BES) have shown promising performance in terms of achieving heavy metal ions removal with simultaneous organics removal, even with electricity generation. However, the interactions between heavy metal ions and anodic electroactive biofilms have not been studied. In this study, two heavy metals (Cu2+ and Cd2+) will be selected to investigate their impacts on the anode(G. sulfurreducen) of BES. The transport and transfer mechanism of heavy metals ions will be studied using energy dispersive spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. In addition, the physiological and electrochemical effects (microbial morphology, biofilms structure and distribution, biofilms conductivity, nanowires for electron transfer, extracellular polymers c) of typical heavy metal ions on electroactive biofilms will be considered using microbial and electrochemical methods, such as cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Finally, the interactions between heavy metal ions and anodic electroactive biofilms and could be proposed. This study will provide a scientific basis for practical application of BES, especially in the wastewater with heavy metal ions and organic matters.

生物电化学系统（BES）阳极能降解有机物的同时回收重金属，且不需额外投加物，为含重金属有机废水处理提供了新途径。但在有机物、重金属离子和阳极电极共存下，重金属离子与电活性生物膜的互作机理尚不清楚。本项目以两种重金属离子Cu2+和Cd2+为研究对象，构建BES阳极（硫还原地杆菌）处理含重金属有机废水体系，通过能谱和成像分析重金属离子在电活性生物膜-溶液界面的形态转化和传输过程，结合物质平衡及库伦效率计算，揭示重金属离子与阳极间的电子竞争机制，阐明重金属在BES阳极的界面迁移与转化机理。采用共聚焦荧光显微分析电活性生物膜的生物活性，结合循环伏安、电化学阻抗及胞外聚合物中传导性组分细胞色素c的定量分析，描述其在重金属离子存在下的变化过程，以明确重金属离子对阳极电活性生物膜生理效应与电化学特性的影响规律，揭示重金属-电活性生物膜的互作机理，为BES阳极实现高效的污染物转化并同时回收重金属提供依据。

生物电化学系统（BES）阳极能降解有机物的同时回收重金属，且不需额外投加物，为含重金属有机废水处理提供了新途径。但在有机物、重金属离子和阳极电极共存下，重金属离子与电活性生物膜的互作机理尚不清楚。本项目以两种重金属离子Cu2+和Cd2+为研究对象，研究深入探讨了重金属和有机物共存的情况下EAB对于阳极生物膜的形态、电化学特性和微生物群落的影响，明晰了EAB在重金属离子迁移和去除中的作用机制，并为生物电化学系统阳极处理重金属提供了理论指导。结果发现，在铜离子浓度为10 mg L-1时，电压持续下降并且跌到0，这可能是由于高浓度重金属会对生物阳极产生毒性作用导致阳极生物膜损伤，抑制了胞外细胞色素C的分泌所导致的。这会对BES的功率密度和电压输出产生不利影响，并且限制乙酸根的降解和重金属的还原。SEM-EDS和XPS表明大多数铜离子被吸附到阳极表面并且被阳极上的电活性菌还原。比起开路的生物电化学系统来说，电子通过外电路的流动可以提高铜离子的还原能力。种群分析显示，阳极室受到10 mg L-1铜离子的冲击后，Geobacter含量从44.5%下降到32.5%，而Stenotrophomonas含量从0.03%大幅提高至37.7%。当受到Cd2+冲击时，浓度为2 mg/L时BESs的电压和功率密度并没有受到抑制，而当浓度增加至20 mg/L时功率密度降至0.17 ± 0 W/m2，甚至在30 mg/L时几乎没有功率输出。循环伏安和电化学阻抗谱分析阳极表面生物膜发现Cd2+浓度超过5 mg/L时抑制了外膜细胞色素的分泌，从而减少EABS与阳极表面的电子传递。通过扫描电镜和激光共聚焦扫描观察到当BESs阳极室中依次加入20 mg/L和30 mg/L Cd2+时，阳极电极表面原本附着密集的生物膜变得逐渐稀疏，代表细胞为活性的绿色数量逐渐减少。对阳极表面生物膜的群落结构分析发现当Cd2+浓度增加至20 mg/L时，地杆菌（Geobacter）的相对丰度降至28.51 %，而寡养单胞菌属（Stenotrophomonas）和固氮螺菌（Azospira）有所增加。