生物电流驱动土壤石油烃降解偶联氮转化机制研究

The low conductivity and the deficient electron acceptor in soil are the key limited factors for the degradation of organic contaminants. The microbial fuel cell (MFC) can significantly enhance the degradation rate by means of the bio-current stimulation and solid anode electron acceptor, and has become the hot topic in the bioelectrochemical remediation of contaminated soil. In this work, a new type petroleum hydrocarbons contaminated soil MFC is constructed and the bio-current conduction is investigated by regulating the electron transfer path and intensity in the soil MFC. Furthermore, the degradation process of petroleum hydrocarbons, the structure and function of microbial community, and the gene expression of key enzymes involved in alkane monooxygenase, naphthalene dioxygenase, ammonia monooxygenase, nitrate reductase, nitrite reductase and nitrogen reductase are studied to indicate the niche differentiation process of degrading bacteria, electricigen, nitrogen transformation bacteria. Additionally, the simulating effects of bio-current on the nitrification, denitrification and nitrogen fixation are researched to pinpoint the transformation mechanism of biologically available nitrogen. The reciprocal effects between degrading bacteria and nitrogen transformation bacteria are also be explored to further understand the diversity of bacterial metabolism and function. In this work, the study on molecular ecology purification mechanism of bioelectrochemical degradation can provide a theoretical support for soil remediation.

土壤低电导性与电子受体缺乏是有机污染物降解的重要限制因素，微生物燃料电池（MFC）由于能提供生物电流与阳极受体而极大提高降解反应速率并产生电能，成为当前土壤生物电化学修复研究的热点。本项目通过优化石油污染土壤MFC系统，调控降解过程中电子由土壤至阳极传递的有效性，从而揭示生物电流的传导机制；联合碳指纹分析和生物信息学技术研究石油烃降解过程和微生物群落的特定结构和功能，以及烷烃单加氧酶、萘双加氧酶、氨单加氧酶、硝酸盐还原酶、同化亚硝酸盐还原酶和固氮还原酶的基因表达特征，揭示降解菌、产电菌和氮转化菌的生态位分化过程与群落演化规律。同时通过揭示MFC系统中硝化作用、反硝化作用和固氮作用对生物电流的响应机制，明确有效氮转化关键限制过程与调控机制，阐明土壤石油烃降解和氮转化菌群之间的互作效应，揭示石油烃消减过程中土壤微生物的代谢与功能多样性及其分子生态学净化机理，为污染土壤修复提供理论依据。

土壤低电导性与电子受体缺乏是有机污染物降解的重要限制因素，微生物电化学系统（MES）由于能提供生物电流刺激与永不枯竭的阳极受体而极大提高降解反应速率并产生电能，成为当前土壤修复研究的热点。研究结果如下：（1）基于活性炭空气阴极陆续构建了双电极、多电极土壤MES，使系统的有效修复范围拓展了6倍。（2）生物质炭的添加促进了土壤MES对石油烃的降解和生物电能的产出，高氮含量、高芳香性的生物质炭添加更有利于促进烷烃的降解，高极性的生物质炭添加更有利于芳烃、极性物质和沥青质的降解。79%-86%的电量产生于经过5个月的自然放置以后，说明采用生物质炭强化土壤微生物电化学修复是一个长期的过程。（3）通过研究表面活性剂添加对土壤MES产电和降解性能的影响，发现两性表面活性剂（卵磷脂）效果最优（提升降解328%），阴离子表面活性剂（十二烷基硫酸钠）和生物表面活性剂（环糊精）在产电和烃类降解中可使用，而非离子表面活性剂（甘油单硬脂酸酯）和阳离子表面活性剂（十六烷基三甲基溴化铵）的效果较差。卵磷脂添加后土壤MES的产电率为0.321 C/d/g土（比对照高35倍）。芽孢杆菌、梭菌和假单胞菌是适应生物电流刺激的优势微生物，可能共同建立了MES中的电代谢网络。（4）在长时间修复运行过程中，由于表面阳离子累积促进了电极老化发生。阳极上生成铁锈，阴极表面土壤石膏化严重；在两极表面Na和Ca分别增加了338%-562%和100%-119%，在阳极Al和Fe分别增加了24%和21%，在阴极Mg和Fe分别增加了84%和155%。因此，对于污染土壤微生物电化学/电动修复技术应用来说，可避开电极与土壤直接接触的方法来维持其长期高效的降解与产电性能。（5）从反应器构型、电极材料、土壤电导性、传质和微生物活性等方面对国内外采用MES降解土壤中农药、抗生素、烃类等有机污染物作了总结，并在土壤微生物、装置材料及与目前技术的结合方面做了展望。为有机污染土壤修复同步固废利用提供了技术支撑，为土壤微生物电化学领域发展提供了理论支持。