蘇 升 陳志坤 石椿麗 柯巍峰 廈門和健衛(wèi)生技術(shù)服務(wù)有限公司（福建，廈門，361012）

我國在過去的30 年間進(jìn)口冷凍食品總量出現(xiàn)顯著增長趨勢，例如天津港口已經(jīng)連續(xù)7 年是全國進(jìn)口肉類第一大口岸，豬、牛、羊肉產(chǎn)品的進(jìn)口量大約占全國總量的40%［1］。 隨著進(jìn)口冷凍食品產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和相關(guān)加工業(yè)的規(guī)模擴(kuò)大，伴生的食品解凍廢水產(chǎn)量亦逐年上升， 解凍廢水中豐富的水分、碳水化合物、蛋白質(zhì)及少量脂肪等組分極易導(dǎo)致微生物滋生、繁殖，對生態(tài)環(huán)境造成潛在污染風(fēng)險(xiǎn)。 如何從解凍廢水中獲取生物資源/能源，同步實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的高效處理，成為食品解凍廢水處理領(lǐng)域一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。

微生物燃料電池（MFC）兼具有機(jī)質(zhì)降解和電能轉(zhuǎn)化雙功能的新型污染物生物處理技術(shù)工藝，通過陽極微生物對有機(jī)質(zhì)的降解代謝， 產(chǎn)生的胞外電子通過外電路到達(dá)陰極， 在陰極電子與溶解氧及通過液相到達(dá)的質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)， 從而完成有機(jī)質(zhì)化學(xué)能向電能的生物轉(zhuǎn)化。 在已報(bào)道研究中，MFCs 被 廣 泛 應(yīng) 用 于 生 活 污 水［2］、工 業(yè) 廢 水［3］、剩 余污泥［4］、餐廚垃圾［5］、水體 中重 金屬［6］等污染物的同步高效處理與電能轉(zhuǎn)化，但在食品解凍廢水處理方面鮮見報(bào)道。 Abdul 等研究了MFC 對檸檬廢棄汁液具 有 良 好 的 產(chǎn) 電 效 果， 輸 出 電 壓 達(dá) 到0.78V［7］。Ghazali 等利用雙室MFC 處理棕櫚油樹空果串垃圾，發(fā)現(xiàn)最大的產(chǎn)能輸出可達(dá)到1.6×10-2W［8］。 可以看出，已報(bào)道研究中利用MFC 處理有機(jī)廢水著重于產(chǎn)能輸出、有機(jī)質(zhì)降解效率等方面，而對以食品解凍廢水為基質(zhì)條件下的MFC 產(chǎn)電菌群動態(tài)及其協(xié)作聯(lián)系仍需深度闡明，有助于強(qiáng)化MFC 的有機(jī)質(zhì)降解與電能轉(zhuǎn)化效能。 本文研究了廈門港口食品解凍廢水為基質(zhì)條件下MFC 的產(chǎn)電效能、微生物群落動態(tài)及產(chǎn)電協(xié)作機(jī)制，豐富和深入理解食品解凍廢水高效處理及能源回收的處理工藝及微生物互作聯(lián)系。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 食品解凍廢水準(zhǔn)備

本研究所采用的食品解凍廢水取自廈門某港口進(jìn)口食品處理車間， 取樣當(dāng)天分早中晚3 次收集，連續(xù)收集3d，每次收集的食品解凍廢水經(jīng)密閉處理后置于4℃環(huán)境保存。 待所有樣品收集完畢后，對其進(jìn)行混合，待測。

取其作為本研究中MFC 運(yùn)行的反應(yīng)基質(zhì)。食品解凍廢水的主要成分為碳水化合物、蛋白類、脂類及少量纖維素類等物質(zhì)。

1.1.2 試驗(yàn)所需磷酸鹽緩沖液、微量元素及礦物質(zhì)

MFC 反應(yīng)裝置運(yùn)行過程中所需的磷酸鹽緩沖液包括11.55g/L Na2HPO4·12H2O，2.77g/L NaH2PO4·2H2O 和0.31g/L NH4Cl。 微量元素包括維生素B 2.0mg/L，維生素B15.0mg/L，維生素B25.0mg/L，維生素B35.0mg/L， 維生素B610.0mg/L， 維生素B120.1mg/L，維生素H 2.0mg/L，硫辛酸5.0mg/L，對氨基苯甲酸5.0mg/L， 煙酸5.0mg/L。 礦物質(zhì)溶液包括NaCl 1.00g/L，ZnCl20.13g/L，CaCl2·2H2O 0.10g/L，CoCl2·6H2O 0.10g/L，CuSO4·5H2O 0.01g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.10g/L，MnSO4·H2O 0.50g/L，AlK（SO4）2·12H2O 0.01g/L，H3BO30.01g/L，NTA 1.50g/L，Na2MoO40.025g/L，NiC126H2O 0.024g/L，Na2WO4·2H2O 0.025g/L。 上述溶液需置于陰涼干燥處保存，室溫（25℃）條件下保存磷酸鹽緩沖液，低溫（4℃）條件下置于冰箱中保存礦物質(zhì)溶液和微量元素溶液。 在實(shí)驗(yàn)過程中所用到的所有試劑，均為分析純。

1.2 反應(yīng)裝置及操作運(yùn)行

本文采用的立方形單室MFC 反應(yīng)器（分別記為R0、R1、R2、R3） 由有機(jī)玻璃制成，MFC 反應(yīng)裝置的反應(yīng)容積、構(gòu)型等參照已報(bào)道文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)［5，9］，有效容積為28mL，內(nèi)無隔膜，每個(gè)MFC 反應(yīng)器的一側(cè)采用碳布（30%防水，E-TEK，USA）制作空氣陰極。陰極的接觸空氣面均勻涂布4 層PTFE 擴(kuò)散層，放置空氣中干燥10min， 將處理好的碳布置于馬弗爐中，在370℃溫度下煅燒15min，取出冷卻，重復(fù)以上處理方式4 次，并采用Pt 作為催化劑（0.35mg/cm2），（E-TEK，USA）涂布于陰極的觸水面，具體制作過程參照前述文獻(xiàn)［9-10］，陰極有效面積7.8cm2。 MFC 另一側(cè)安裝的陽極材質(zhì)為碳刷，有效工作面積7.2cm2，電極間距為2.5cm。 陽極室頂端留有圓孔用于更換電極液。 以鈦絲連接純銅制的平口夾連接入閉合電路，外電阻為500Ω。臺式電腦與USBDAQ-580 數(shù)據(jù)采集卡連接，記錄MFC 的電壓輸出。R0 中加入葡萄糖（對照組），R1、R2、R3 中分別加入初始容積負(fù)荷為0.69、0.71、0.83kg COD/（m3·d） 的食品解凍廢水，啟動運(yùn)行MFC（見表1）。 MFC 的接種污泥取自廈門集美區(qū)某污水處理廠。

表1 食品解凍廢水有機(jī)質(zhì)含量

所有MFC 采用序批式運(yùn)行方式，待輸出電壓低于0.05V 時(shí)，此反應(yīng)周期結(jié)束，排水后重新進(jìn)水，開始新的運(yùn)行周期。 電壓輸出穩(wěn)定后連續(xù)運(yùn)行3 個(gè)周期（視為運(yùn)行穩(wěn)定期），開始取樣分析。 陽極生物膜樣品通過無菌水沖刷并離心 （8000r/min，20min）后獲取沉淀獲得。MFC 的功率密度曲線通過改變穩(wěn)定運(yùn)行期的外電阻（每次增大500Ω，由500Ω 逐步升至5000Ω）所獲得，記錄1 min 內(nèi)各阻值電壓在波動不高于2mV 的電壓值。

1.3 分析檢測方法

1.3.1 普通分析 溶解態(tài)COD 采用重鉻酸鉀消解滴定法測定， 溶解態(tài)碳水化合物采用苯酚-濃硫酸方法測定，溶解態(tài)蛋白采用改良型BCA 蛋白測定試劑盒（生工，上海）測定，所有測定分析進(jìn)行3 次。

1.3.2 微生物群落分析 離心沉淀后的MFC 陽極污泥樣品經(jīng)土壤DNA 提取試劑盒（QIAGEN，德國）提取其基因組DNA。 之后進(jìn)入聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）擴(kuò)增流程，引物采用擴(kuò)增16S rRNA 基因序列 的 V3 -V4 區(qū) 特 異 引 物 341F （CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG- barcode-CCTACGGGNGGCWGCAG） 與805R（GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTC CAGACTACH V -GGGTATCTAATCC）。 PCR 反應(yīng)體系包括：2×Taq master Mix（15μL），引 物341F（10μmol/L）（1μL），引 物805R（10μmol/L）（1μL）， 基因組DNA （10-20ng）， 補(bǔ)充ddH2O 至30μL。 PCR 反應(yīng)條件：94℃保持3min；之后94℃保持30s，45℃保持20s 及65℃保持30s，重復(fù)5 個(gè)循環(huán)； 接著94℃保持20s，55℃保持20s 及72℃保持30s，重復(fù)20 循環(huán)；最后延伸階段72℃保持5min。 PCR 擴(kuò)增完成后，擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)PCR 純化試劑盒（生工，上海）純化后進(jìn)入Illumina Miseq 測序系統(tǒng)進(jìn)行測序分析。 所得測序數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理及去除非特異性擴(kuò)增序列后用于后續(xù)微生物分析，微生物物種分析（門/屬水平）基于RDP 數(shù)據(jù)庫（http://rdp.cme.msu.edu/misc/resources. jsp） 完成；α-微生物多樣性指數(shù)依據(jù)Mothur （version 1.30.1）（http：//www.mothur.org/wiki/Schloss_SOP#Alpha_diversity）軟件計(jì)算所得， 包括Shannon 指數(shù)、ACE 指數(shù)與Chao1 指數(shù)等； 根據(jù)測序結(jié)果， 通過Diagram 軟件繪制完成Venn 圖，根據(jù)vegan 軟件繪制Bray 樹圖（Tree Plot），通過R 的Ggtern 軟件繪制完成三元圖（Ternary Plot）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 電流密度與功率密度計(jì)算 MFC 的電流密度與功率密度如下式所示：

式中：A 代表陽極電極有效表面積（m2）；U 為輸出電壓值（V）；R 代表外電阻阻值（Ω）；I 代表電流密度（A/m2）；P 代表功率密度，W/m2。

1.4.2 電能轉(zhuǎn)化效率計(jì)算 MFC 的電能轉(zhuǎn)化效率計(jì)算如下［11］：

式中：E 為電能轉(zhuǎn)化效率 （kWh/kg COD）；U 為輸出電壓值（V）；R 代表外電阻阻值（Ω）；t 為電壓輸出時(shí)間（h）；C 指的是進(jìn)水COD 含量（g COD/L）；N為MFC 對有機(jī)質(zhì)的平均去除率。

2 結(jié)果與討論

2.1 食品解凍廢水的產(chǎn)電效能與有機(jī)質(zhì)降解分析

MFC 在成功啟動后電壓隨時(shí)間變化如圖1 所示。 在MFC 運(yùn)行初期， 接種污泥微生物逐漸適應(yīng)MFC 中環(huán)境，電壓逐步升高。 連續(xù)馴化14-16d 后，投加葡萄糖、食品解凍廢水的MFC（R0-R3）逐漸獲得穩(wěn)定的電壓輸出， 分別為0.45V、0.52V、0.56V 和0.58V， 峰 值 電 壓 分 別 為0.51V、0.58V、0.62V 和0.64V（圖1-A）。 通過對比數(shù)據(jù)可看出，進(jìn)入運(yùn)行穩(wěn)定周期的MFC， 加入食品解凍廢水的R1-R3 的產(chǎn)電量明顯高于葡萄糖的R0， 差值在0.12V 左右，且容積負(fù)荷為0.83kg COD/（m3·d）的MFC 產(chǎn)電性能最佳。 從結(jié)果可看出，底物有機(jī)質(zhì)組分的多樣性能夠促進(jìn)MFC 陽極微生物的生物降解及電能轉(zhuǎn)化效率，這得到已報(bào)道文獻(xiàn)所得結(jié)論的支持［11］。

所有MFC 啟動約15d 后，MFC 的輸出電壓達(dá)到峰值，相應(yīng)的功率密度也達(dá)到了峰值，功率密度正是衡量MFC 產(chǎn)電性能的指標(biāo)。 R0 功率密度峰值可以達(dá)到0.125W/m2，R1 的最大功率密度分別為0.147W/m2，R2 達(dá) 到 了 0.163W/m2，R3 達(dá) 到 了0.172W/m2（圖1-B）。可以看出以食品解凍廢水為底物的MFC 最大功率密度均高于R0， 且與現(xiàn)有報(bào)道相比，市政有機(jī)垃圾為基質(zhì)的MFC 輸出功率密度峰值僅為0.123W/m2［12］， 以稻草水解液為基質(zhì)的MFC輸出功率密度最高值達(dá)0.137W/m2［13］， 可見以食品解凍廢水為底物的MFC 具有較好的電化學(xué)性能，能夠發(fā)揮MFC 生物發(fā)電的競爭性作用， 在有機(jī)營養(yǎng)物的生物降解和電能轉(zhuǎn)化方面表現(xiàn)出較為理想的性能。

從圖2-A 可以看出，加入食品解凍廢水的R1、R2 與R3 的電能轉(zhuǎn)換率分別達(dá)到了1.284kWh/kg COD、1.453kWh/kg COD、1.563kWh/kg COD，而加入葡萄糖的R0 的電能轉(zhuǎn)換率僅達(dá)到0.761kWh/kg COD。 從有機(jī)質(zhì)降解角度來看，如圖2-B 所示，MFC對食品解凍廢水COD 具有良好的去除效果，R0 對COD 去除效率為92.27%（對照組），R1 對COD 去除效率為85.17%，R2 對COD 去除效率為83.93%，R3對COD 去除效率為81.07%，去除效率均超過80%，顯然，產(chǎn)電性能與MFC 中有機(jī)物的利用密切相關(guān)。COD 的去除主要是由于陽極中的微生物不斷繁殖代謝，消耗了碳水化合物，從而降低了COD。 隨著陽極微生物菌群趨近于穩(wěn)定，與外界環(huán)境達(dá)到平衡，COD 也趨近于穩(wěn)定。 經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)， 本實(shí)驗(yàn)的COD 去除效率相較于Liu 等在2004 年利用生活污水為底料的MFC 所達(dá)到的COD 去除效率有一定降低［14］，但較于Venkata Mohan 等在2010 年利用果蔬廢棄物為底物的MFC 所達(dá)到的62.9%的COD 去除效率，提高了約20%［15］。 原因可能是食品解凍廢水中所含物質(zhì)為碳水化合物、蛋白類、小分子酸、脂肪和少量的維生素等物質(zhì)， 可生物降解性較好， 可被MFC 陽極微生物快速高效降解及實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化［1］。

2.2 MFC 微生物群落特性

2.2.1 MFC 微生物群落相似度與多樣性分析 進(jìn)水基質(zhì)的差異顯著影響MFC 內(nèi)微生物群落的動態(tài)特點(diǎn)， 本文通過Venn 圖與Bray tree 圖說明不同進(jìn)水負(fù)荷對MFC 內(nèi)微生物群落的相似度影響。 Venn圖（圖3-A） 揭示了所有樣本之間的群落相似性在OTU 分布上的變化。 接種物與R0（對照組）之間的OTU 數(shù)為780，R0 與R3 之間的OTU 數(shù)為692，R3與R2 之間的OTU 數(shù)為723，R2 與R1 之間的OTU數(shù)為610，R3 與接種物之間的OTU 數(shù)為675。結(jié)果表明，食品解凍廢水對OTU 在陽極群體中的分布起著重要作用，并明顯促進(jìn)了群落之間的差異。 這表明不同MFC 之間出現(xiàn)了明顯的不同，這可能是它們在有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)生物降解和電生物轉(zhuǎn)化方面表現(xiàn)不同的原因。 Bray tree 圖（圖3-B）進(jìn)一步說明了MFC 內(nèi)微生物群落的相似度變化，接種污泥與食品解凍廢水-MFC 距離最遠(yuǎn)，顯示了最大的群落差異程度：而R2與R3 的距離最近，說明兩者的微生物群落差異性在減小， 基質(zhì)的變化對微生物群落相似性產(chǎn)生明顯影響，此現(xiàn)象與已報(bào)道研究結(jié)論相似［11］。

圖3 不同容積負(fù)荷下MFC 陽極OTV 分布及Bray tree 圖

表2 顯示了不同進(jìn)水基質(zhì)對MFC 陽極微生物多樣性的影響，從結(jié)果可看出，進(jìn)水負(fù)荷的增大促進(jìn)了MFC 陽極微生物多樣性的升高（Shannon 指數(shù)從3.912 升高至3.969，ACE 指數(shù)與Chao1 指數(shù)也逐漸升高）， 微生物多樣性的升高有助于提高M(jìn)FC 系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性［16］及電能輸出［11］。

表2 不同MFC 中陽極微生物多樣性指數(shù)

2.2.2 MFC 微生物群落結(jié)構(gòu)分析 進(jìn)水基質(zhì)的差異對MFC 內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)變化亦有顯著影響，在門水平上（圖4-A），按數(shù)量排序主要可分為變形桿菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、疣微 菌 門（Verrucomicrobia）。 在R1 中變形桿菌門（Proteobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes）占比達(dá)到了35%左右，擬桿菌門（Bacteroidetes） 占 比 達(dá) 到 了20% ， 疣 微 菌 門（Verrucomicrobia）占比達(dá)到了7%；同樣，R2 其占比依次為42%、38%、8%、2%，R3 其占比依次為28%、4%、10%、23%。 而與接種污泥相比， 厚壁菌門（Firmicutes）的數(shù)量得到了很大的提升，由20%的占比提升到了40%左右， 疣微菌門（Verrucomicrobia）的數(shù)量也得到了提升， 從2%的占比提升到了18%左右。 相反變形桿菌門（Proteobacteria）則由50%的占比降低到了30%左右。 總體可以看出，在MFC 產(chǎn)電的過程中， 厚壁菌門 （Firmicutes） 與疣微菌門（Verrucomicrobia）更好地適應(yīng)了陽極環(huán)境，成為了優(yōu)勢菌種。 該兩門菌種能夠適應(yīng)食品解凍廢水中所含的有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)自身的代謝產(chǎn)能。 它們對不同碳源的廣泛適應(yīng)性有效地增強(qiáng)了生物發(fā)電能力，從而影響了陽極微生物群落結(jié)構(gòu)。 而有機(jī)質(zhì)也抑制了變形桿菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）的生長，致使它們的群落占比有所下降，但相對其他菌門仍有較高占比。這與Park 等人研究結(jié)果相一致，該研究提出，變形菌門（Proteobacteria）中存在著大量陽極呼吸微生物，并且具有利用各種電子供體（不同供體） 進(jìn)行細(xì)胞外電子傳遞以降解有機(jī)物產(chǎn)生生物電的能力［17］。擬桿菌門（Bacteroidetes）則與碳水化合物降解過程密切相關(guān)［18］。 此外， 綠彎菌門（Chloroflexi）、放 線 菌門（Actinobacteria）、浮 霉 狀 菌門（Planctomycetes）、酸 桿 菌 門（Acidobacteria）等 在MFC 的產(chǎn)能過程中也起到了一定的作用， 在MFC的產(chǎn)電菌群中占據(jù)一定的比例，有著穩(wěn)定完整的群落結(jié)構(gòu)。 與對照組相比，食品解凍廢水中復(fù)雜的營養(yǎng)物質(zhì)有效地提高了微生物在MFC 中的多樣性。焦艷等［19］以牛糞作為陽極底物運(yùn)行微生物燃料電池，陽極微生物主要為厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、放線菌門（Actinobacteria），支持本文的分析結(jié)果。

在菌屬水平上（圖4-B），優(yōu)勢菌種包括梭菌屬（Clostridium）、固氮螺菌屬（Azospirillum）、突柄桿菌屬（Prosthecobacter）等。由于接種物取自于污水處理廠，水質(zhì)相對來說較為復(fù)雜，因而未被分類命名的屬類（Unclassified）較多，占比達(dá)到了32%。 R2 中菌種群落較為復(fù)雜，其中梭菌屬（Clostridium）占比最高， 達(dá)到了30%的占比， 第二為固氮螺菌屬（Azospirillum）， 占比達(dá)到了12%， 金黃桿菌屬（Chryseobacterium）與芽孢桿菌（Bacillus）占比分別為7%和5%。 R3 中梭菌屬（Clostridium）占比最高，達(dá)到了近40%， 其次為固氮螺菌屬 （Azospira）， 占比為20%，假單胞菌屬（Pseudomonas）與Paludibaculum占比為5%左右。R1 中突柄桿菌屬（Prosthecobacter）占比最高，達(dá)到了20%的占比，其他菌種大致分布在5%左右。在R0 中，菌群占比相對來說較為均勻，梭菌屬（Clostridium）、固氮螺菌屬（Azospirillum）、沙門菌屬（Salmonella）等穩(wěn)定在10%左右；R2、R3 在運(yùn)行產(chǎn)電過程中，梭菌屬（Clostridium）和固氮螺菌屬（Azospirillum） 逐漸占據(jù)優(yōu)勢，R2 中假單胞菌屬（Pseudomonas）占比也有較大的提高；相反，在R1 的產(chǎn)電過程中，梭菌屬（Clostridium）逐漸失去優(yōu)勢，突柄桿菌屬（Prosthecobacter）占比得到了提高，確保了MFC 的穩(wěn)定運(yùn)行。 不同MFC 之間優(yōu)勢屬類有明顯差異，其中R0 中的基質(zhì)環(huán)境較為穩(wěn)定，而R1、R2、R3 主要以食品解凍廢水為底物，陽極微生物的生存環(huán)境較為復(fù)雜，且不同的稀釋倍數(shù)也在一定程度上影響微生物菌屬的正常生長。 結(jié)果表明， 梭菌屬（Clostridium）和固氮螺菌屬（Azospirillum）能夠更好地適宜不同的環(huán)境，有效釋放胞外電子。 已報(bào)道文獻(xiàn)亦證實(shí)，梭菌屬（Clostridium）與菌屬Geobacter 能夠?qū)?fù)雜分子結(jié)構(gòu)有機(jī)物（如菲類污染物）具有生物降解功能［20］。 可看出，此二類微生物對有機(jī)底物具有廣泛的適應(yīng)性和降解能力。

固氮螺菌屬（Azospirillum）能夠增強(qiáng)電子的產(chǎn)生及傳遞， 更進(jìn)一步加強(qiáng)電能的產(chǎn)生［21］； 梭菌屬（Clostridium）作為厚壁菌門（Firmicutes）的優(yōu)勢屬，參與生物電化學(xué)反硝化，具有在各種厭氧環(huán)境中棲息的能力［22］；假單胞菌屬（Pseudomonas）可以利用大部分有機(jī)物產(chǎn)生電子［23］；硫桿菌屬（Desulfovibrio）可實(shí)現(xiàn)乙酸生物降解促進(jìn)細(xì)胞生長［24］；伯克氏菌屬（Burkholderia）也與產(chǎn)電過程密切相關(guān)［3］。 此類微生物有效促進(jìn)有機(jī)物降解過程，即通過發(fā)生（CH2O）n+nH2O→nCO2+4ne-+ 4nH+的氧化反應(yīng)將有機(jī)質(zhì)降解，在陽極處的產(chǎn)生了外電子轉(zhuǎn)移。因此，電子通過從陽極到陰極的外部電路， 而質(zhì)子在MFC 系統(tǒng)內(nèi)移動，在陰極處發(fā)生了4e-+O2+4H+→2H2的還原反應(yīng)［22］。這表明在本實(shí)驗(yàn)所提供的有機(jī)營養(yǎng)條件下，食品解凍廢水能有效地促進(jìn)這些屬的種群過度生長，有效地增強(qiáng)生物能轉(zhuǎn)化為電能的產(chǎn)電能力。

2.3 菌群協(xié)作產(chǎn)電機(jī)制探討

圖5 反應(yīng)了MFC 產(chǎn)電菌群OTU 在R1、R2 及R3 微生物樣品中的比重關(guān)系。圖中圓圈代表不同物種，彩色圓圈代表在下面兩角樣本中顯著差異的物種（相對于頂角樣本）。 灰色圓圈代表非顯著差異物種，圓圈大小代表物種的平均相對豐度。 從圖中我們可以看出，關(guān)注菌群共有19 種，其中在優(yōu)勢菌群中，厚壁菌門（Firmicutes）相對豐度最大，其在容積負(fù)荷為0.83kg COD/（m3·d）和0.71kg COD/（m3·d）的食品解凍廢水中含量較高，在稀釋100 倍即容積負(fù)荷為0.69kg COD/（m3·d）的樣本溶液中含量偏低。疣微菌門（Verrucomicrobia）相對豐度次之，相反，其在稀釋100 倍的樣本溶液中的占比較大，在另外2 種樣本溶液中的占比較小。 另外， 變形菌門（Proteobacteria）、 擬桿菌門 （Bacteroidetes）、 放線菌門（Actinobacteria）等菌群相對豐度較高，且其在3 種樣本溶液中分布相對均勻，差距較小，它們在MFC的協(xié)同作用進(jìn)一步促進(jìn)了產(chǎn)電性能，其中變形菌門（Proteobacteria）包含豐富的產(chǎn)電菌群［17］；擬桿菌門（Bacteroidetes）與碳水化合物生物降解密切相關(guān)［18］。

圖5 不同容積負(fù)荷下MFC 陽極功能菌群三元分析

根據(jù)前述研究結(jié)果，以食品解凍廢水為基質(zhì)的MFC 陽極產(chǎn)電功能菌群協(xié)作示意圖（圖6）在本文中歸納并提出，食品解凍廢水中碳水化合物、蛋白類等溶解態(tài)物質(zhì)經(jīng)水解類細(xì)菌作用后分解為小分子類或單體物質(zhì)， 其中有機(jī)氮等成分經(jīng)突柄桿菌屬（Prosthecobacter）、固氮螺菌屬（Azospira）等微生物作用后得到降解去除，突柄桿菌屬（Prosthecobacter）與有機(jī)氮去除密切相關(guān)［25］；且Azospira 對氮素去除具有積極貢獻(xiàn)作用［26］；溶解態(tài)碳水化合物等經(jīng)碳水化合物發(fā)酵菌（Petrimonas）與Azospirillum 作用下將有機(jī)碳源轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）等發(fā)酵中間產(chǎn)物， 其中Petrimonas 與VFA 產(chǎn)生有貢獻(xiàn)作用［27］，Azospirillum 與有機(jī)碳源生物轉(zhuǎn)化相關(guān)［21］；最后在產(chǎn)電菌群[假單胞菌屬（Pseudomonas）、Geobacter［28］、伯克氏菌屬（Burkholderia）、梭菌屬（Clostridium）等]作用下將中間產(chǎn)物（VFAs、H2分子等）進(jìn)一步分解，產(chǎn)生電能。 從上述結(jié)果中可看出，以食品解凍廢水為基質(zhì)的MFC 陽極生物膜中的發(fā)酵類菌群[突柄桿菌屬（Prosthecobacter）、Azospira、Petrimonas、Azospirillum 等] 是有機(jī)質(zhì)降解及后續(xù)產(chǎn)電過程的主要貢獻(xiàn)者，決定了有機(jī)質(zhì)降解及生物轉(zhuǎn)化效率，其與產(chǎn)電優(yōu)勢菌群[假單胞菌屬（Pseudomonas）、Geobacter、伯克氏菌屬（Burkholderia）、梭菌屬（Clostridium）等]密切協(xié)作共同促進(jìn)MFC 的產(chǎn)電輸出效能。

圖6 以食品解凍廢水為基質(zhì)的MFC 陽極產(chǎn)電功能菌群協(xié)作示意圖

3 結(jié)論

1） 以食品解凍廢水為基質(zhì)的MFC 產(chǎn)電輸出功率達(dá)到0.125-0.172W/m2范圍， 對有機(jī)質(zhì)去除效率接近90%，產(chǎn)電效能良好。

2） 基質(zhì)有機(jī)負(fù)荷的提高[由0.69 升至0.83kg COD/（m3·d）]可對MFC 陽極生物多樣性有正向促進(jìn)作用，并提高M(jìn)FC 的電能轉(zhuǎn)化及輸出效果。

3） 食品解凍廢水為基質(zhì)的MFC 陽極生物膜的主要菌屬包括發(fā)酵類菌群（Prosthecobacter、Azospira、Petrimonas、Azospirillum 等） 與產(chǎn)電優(yōu)勢菌群（Pseudomonas、Geobacter、Burkholderia、Clostridium等），兩類菌群的密切協(xié)作決定了MFC 的產(chǎn)電效率。