可降解高浓度苯酚的产电菌筛选及其降解产电特性研究

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苯酚是工业生产中普遍存在的有毒有机污染物,大量难降解苯酚废水对生态环境造成了严重破环,威胁人类的生命健康。利用微生物治理苯酚污染因其高效性、无二次污染等特点而被广泛研究,微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)在微生物代谢降解苯酚的同时能够产生电能,不仅解决苯酚污染而且缓解了能源消耗问题。以苯酚为碳源的阳极室产电微生物是MFC运行的基础,而高浓度苯酚具有的高毒性、疏水性和难降解性导致微生物生长受抑制,因此筛选出能够降解高浓度苯酚的产电菌对于苯酚污染的生物治理以及环境修复具有重要意义。本研究构建以苯酚为碳源且运行稳定的微生物燃料电池,并逐步提高阳极室苯酚浓度从而完成苯酚降解产电菌的富集和驯化。成功从阳极碳毡上分离获得8株纯菌,然后采用循环伏安法根据是否具有氧化还原峰对菌株进行初步筛选,结果得到3株具有产电性的菌株。将初步筛选后的3株菌株接种于1 500 mg·L-1苯酚液体培养基进行降解测试,最终获得具有高浓度苯酚降解产电特性的优势菌株ZY07,经18S r RNA序列分析,鉴定该菌为热带假丝酵母菌(Candida tropicalis)。初步探究了菌株ZY07的生长曲线和苯酚降解曲线,并进一步考察了初始浓度,pH,温度,接菌量和氮源单因素对菌株ZY07的生长和苯酚降解影响。结果表明,菌株ZY07 48 h基本能完全降解1700 mg·L-1的苯酚,且苯酚耐受性高达2000mg·L-1;单因素条件下8%为菌株ZY07的最适接菌量、最佳初始pH为8、最适温度为35℃,最佳氮源为硝酸铵。对比苯酚降解和COD去除情况,通过测定苯酚降解率和COD去除率发现,12 h苯酚几乎降解完全,而COD去除率仅为74.5%。由此可知,苯酚的降解过程不同于COD的去除过程,即苯酚降解完全并不意味着COD也去除完成。不同生长阶段的菌株ZY07循环伏安扫描结果表明菌株ZY07具备良好的电化学活性。以筛选所得菌株ZY07构建MFC,可产生最大输出电压0.72 V,最大功率密度48.02 mW·m~2。为探究菌株ZY07的电子转移方式,首先将菌株ZY07接种于厌氧柠檬酸铁液体培养基进行铁还原试验,测定三价铁还原率。结果显示,二价铁离子浓度不断上升,三价铁成功被还原,以此说明菌株ZY07可以产生氧化还原电子穿梭体,并借助电子介体实现电子转移。其次菌株ZY07菌悬液和上清液的循环伏安扫描对比结果显示,上清液仍然具有氧化还原峰,这先进一步证明了菌株ZY07可以通过电子介体传递电子,另外循环伏安扫描显示上清液氧化还原峰值小于菌悬液氧化还原峰值,这一现象则说明菌株ZY07不仅仅依靠产生电子介体这一种间接传递,推测还可以通过其他转移方式,如生物膜接触式直接完成电子传递。最后通过对阳极碳毡进行定期扫描电镜观察发现,随着MFC运行时间的增加,生物膜也逐渐在阳极碳毡表面发展成熟。阳极碳毡表面出现生物膜的结果则充分证实了菌株ZY07通过生物膜传递电子的推测。所以菌株ZY07同时具备依靠电子介体进行的间接电子转移方式和通过生物膜接触实现的直接电子转移方式。
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