陈正团队：有机质水平决定微生物燃料电池对铁、砷环境行为的影响
以下文章来源于天然有机质研究情报 ，作者陈正团队
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微生物电化学手段用于对沉积物或者土壤中污染物的处理是一个新兴领域。微生物电化学技术以微生物燃料电池为代表，通过以惰性电极为电子受体，可以大幅促进厌氧微生物对有机污染物的降解，然而其对土壤/沉积物中无机污染物的影响机理尚不清楚。在之前研究中，既发现微生物燃料电池促进重金属砷从固相到液相的释放，也发现可以抑制砷的释放，但缺乏较好的解释。
在本研究中，我们发现土壤中有机物水平是影响这一过程的主要因素。当有机质水平较低的时候，微生物燃料电池阳极上的微生物与土壤中的铁还原微生物竞争有机底物，从而阻碍了土壤中的铁还原和砷释放过程，表现出抑制砷释放的现象；在有机质水平较大的时候，底物竞争作用不明显，生物阳极在氧化有机物的过程中，产生大量的酸，并且造成铁还原菌的富集，促进了铁和砷的溶解，表现出增加砷释放的现象。本研究为将来在实际污染场地中应用微生物燃料电池有重要指导意义。
土壤微生物燃料电池（sMFC）是一个由阳极和/或阴极构建的生物电化学系统。阳极在厌氧条件下通过接受阳极呼吸菌氧化有机物时释放出的电子，并通过外电路传递到阴极形成电流。sMFC的阳极能维持其周围胞外产电菌的生长和代谢活性，增强DOC的降解，并且影响土壤的pH，氧化还原电位（Eh）以及微生物群落的分布。尽管增强胞外产电菌对sMFC的电能输出以及有机污染去除是有益的，但是在砷污染的土壤中因为其增强了IRB活性以及降低了土壤的pH，从而增加了铁氧化物的还原以及砷的移动。因为DOC在土壤中容易被土壤微生物分解利用，同时其对土壤生态中的元素循环以及重金属元素的迁移有重要影响。在sMFC中以DOC作为切入点对其中元素固定及迁移的研究近来也逐步被关注。
▲sMFC反应器结构及原理图（来源：ScienceDirect等）
本研究主要分为四个部分：
（一） SMFC性能的研究；
（二） SMFC对土壤生理生化性能的影响；
（三） SMFC对水稻土孔隙水中铁、砷行为的影响；
（四） SMFC对菌群结构的影响。
实验结果表明电流的变化主要由阳极的电压和DOC的生物有效性所决定，在开始阶段电流快速升高，然后随着DOC浓度的降低而降低。说明DOC有效性很可能对电流的产生有决定性作用。干湿交替中，厌氧环境中氧气的介入通过铁介导的芬顿反应降解DOC。实验中可观测到因为干湿交替引起的电流同时的下降，这也进一步验证了DOC可能是sMFC电流产生的限制因素。
▲ 输出电流和DOC的变化以及阴、阳极电压变化以及干湿交替对电流的影响（来源：ScienceDirect等）
为此，研究者监测了DOC在sMFC-WM中含量的变化，结果显示相比于对照组，实验组中上层土（a）、中层土（b）、阳极附近土（c）中DOC都有更大的减少，能明显增强DOC的矿化。但有意思的是在sMFC和control中DOC浓度都随着时间逐渐减少，并没有显著的差异。荧光图谱结果显示在sMFC-WM中紫外线腐殖酸类（ultraviolet humic acid-like, UVC）浓度显著减少，然而富里酸和陆地腐殖酸都显著增加。但是其对照组和sMFC中DOC的形态却没有明显的变化，这暗示sMFC-WM中UVC腐殖分子作为电子穿梭物质能快速被利用。
▲ 在sMFC 和sMFC-WM中DOC在不同天数中浓度的变化图（来源：ScienceDirect等）
▲ 在sMFC （右）和sMFC-WM（左）中DOC在不同天数（a,c,e,g为实验组;b,d,f,h为对照组）中荧光的变化图，P为色氨酸类（tryptohan-like）成分，H为紫外线腐殖酸类（ultraviolet humic acid-like,UVC）,F为富里酸类成分（fulvic acid-like），TH为陆地腐殖酸类成分（terrestrial humic acid-like）（来源：ScienceDirect等）
▲ 铁砷浓度在sMFC和对照组中三个区域（上层土a, d;中层土b, e;下层土c, f）的变化和其相关性（来源：ScienceDirect等）
同时干湿交替下sMFC-WM能显著抑制铁的还原，这也引起孔隙水中砷浓度的下降。能观察到在35天后sMFC-WM的阳极附近的砷浓度较对照组显著减少。这主要原因可能是：1）相对于sMFC体系，氧气的介入增强的DOC的矿化作用，进而DOC的减少引起电极和铁氧化物之间的电子竞争，减少铁还原，同时也增加了铁和氧气的直接氧化过程，从而减少铁和砷的释放。2）相对于对照组，control-WM的铁、砷还原菌的含量更高，这种菌群的差异引起了sMFC-WM较对照组有更少的铁、砷释放。当然，在干湿交替下，sMFC-WM阴极所产生的氢氧根离子能与铁离子发生反应，从而引起铁的迁移和固定也是原因之一。
▲ 铁砷浓度在sMFC-WM和对照组干湿交替下三个区域（上层土a, d;中层土b, e;下层土c, f）的变化（来源：ScienceDirect等）
结合以上结果研究人员发现，sMFC-WM中DOC较对照组出现了减少，但sMFC中DOC的浓度较对照组并没有显著的差异，同时较对照组sMFC中却存在铁、砷释放的差异性，这也暗示在高浓度DOC中土壤中细菌对DOC降解的竞争性作用并未形成，因此其可能引起铁砷在孔隙水中浓度升高的可能机制：
1、阳极反应所引起的酸化效应。
2、阳极富集了铁还原菌并影响土壤中铁还原菌的丰度。
对于前者而言，降解DOC过程所产生的质子和二氧化碳能引起水稻土pH的减少，而这进一步增加了可溶性铁的形成，从而释放铁砷。当然pH的降低也减弱了砷在铁氧化物表面的吸附能力。结果显示sMFC和sMFC-WM的使土壤上层土的pH升高，中层土和阳极附近土的pH下降，但是阳极附近土的Eh却升高了。
▲ sMFC和sMFC-WM 对土壤不同部位pH和Eh的改变（来源：ScienceDirect等）
对于后者细菌群落的改变也影响了铁砷溶解度。研究人员发现在阳极附近包含了许多异化的铁、砷还原细菌。并且发现了能利用DOC作为电子供体、利用铁氧化物作为电子受体和一些金属还原菌种。
▲ sMFC和sMFC-WM中上层土，中层土以及阳极附近和土壤中的微生物群落相对丰度（来源：ScienceDirect等）
综上，DOC的含量在sMFC中对铁、砷的释放过程起到很重要的作用，sMFC-WM系统中干湿交替后，增强了电极和铁氧化物作为电子受体的竞争性作用，进而减少铁的还原、抑制砷的释放。而在高浓度DOC的sMFC中，电子受体之间不存在竞争性作用，sMFC反而能促进IRB的富集，还原铁氧化物，进一步促进铁、砷的释放。
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联系作者
陈正，副教授，西交利物浦大学，苏州，Email: Zheng.Chen@xjtlu.edu.cn