沉积物微生物燃料电池在10?°C下对海岸带沉积物中氮的高效去除

《Journal of Environmental Management》：Effective nitrogen removal from coastal sediments at 10?°C using sediment microbial fuel cells

　　

冷区海岸带沉积物中氮污染日益突出。沉积物微生物燃料电池（SMFC）可高效抑制氨释放与缺氧，但低温条件可能显著限制其效率。研究人员构建了两套SMFC系统，在10?°C与弱缺氧条件下评估其性能及与脱氮相关的潜在微生物功能。结果表明两套系统均实现低温高效脱氮，水体铵态氮（NH4+）去除率约84%，沉积物中约30.5%（相对于初始浓度）。NH4+去除未伴随溶解氧化亚氮（N2O）积累增加。弱缺氧下，木炭复合阳极反应器溶解N2O浓度较其对照低10.7%。两种阳极设计脱铵性能不同：木炭复合阳极沉积物NH4+降34.6%，不锈钢阳极降26.4%。低工作电位与有限溶解氧（DO）可能抑制阳极硫化物氧化，但NH4+去除得以维持。微生物群落分析与功能预测表明，脱氮与阳极微生物类群SM1A02和Marinicella参与的潜在氨氧化及反硝化有关。该研究证实所测SMFC系统在10?°C调查海岸沉积物中可实现有效NH4+去除，为冷区弱缺氧海岸条件氮污染管理提供技术参考。

研究背景方面，海岸带沉积物是陆海界面氮转化与去除的关键介质，但农业径流、工业与生活污水输入导致无机氮负荷上升，引发富营养化、底层水缺氧与生物多样性丧失。在富营养化海岸沉积物中，持续缺氧刺激厌氧过程，积累有毒硫化氢（H₂S）并释放甲烷（CH₄）。传统曝气、植物修复与生物操纵因成本高、季节波动与二次污染风险受限。沉积物微生物燃料电池（SMFC）通过调节氧化还原微环境驱动电子转移增强无机氮转化，但现有研究多聚焦常温好氧，低温（如10?°C）与弱缺氧耦合胁迫下脱氮效率与路径不清，且复杂改性电极成本高、有环境风险。因此研究人员以简易木炭复合与不锈钢阳极为对象，在10?°C弱缺氧柱式反应器中系统评价SMFC脱氮性能与微生物机制，论文发表于《Journal of Environmental Management》。

主要关键技术方法方面，研究人员采集丹麦法尔斯特岛北岸Sorts?港富营养化海岸沉积物，于内径20?cm、高65?cm聚氯乙烯柱中填5?L均质沉积物与15?L盐度25?ppt人工海水，设木炭-不锈钢复合阳极与不锈钢（AISI304）阳极两套闭路SMFC及对应开路对照，阳极埋于沉积物表下3?cm、阴极置于上覆水顶部，外电路接1000?Ω电阻；通过穿孔泡沫挡板维持表层-底部溶解氧（DO）梯度，分两阶段（0–74?d lid半开控底水DO>1?mg/L；75–152?d lid关闭控底水DO≈1?mg/L）在10?°C黑暗下运行152?d；定期测电压、DO、pH，采上覆水与沉积物测NH₄⁺、NO₃^?、NO₂^?、总氮（TN）、磷酸盐（PO₄^3?）、溶解TC及H₂S、CH₄、N₂O；末次刮取电极生物膜提取DNA，扩增细菌16S rRNA V4区 NovaSeq 6000测序，用QIIME算α多样性、FAPROTAX预测功能、Mantel检验关联环境因子。

研究结果部分，3.1 电压与DO动态显示，闭路电压前15?d升至约600?mV后衰减，II阶段木炭复合阳极电压（188±24?mV）高于不锈钢（144±14?mV），功率密度峰值17.95与16.64?mW/m²后降至1.69±0.40与0.96±0.17?mW/m²；底水DO木炭复合组维持>1?mg/L、不锈钢组<1?mg/L，表层-底部DO差始终>1?mg/L，处理组pH总体高于对照。3.2 脱氮性能表明，I阶段水体NH₄⁺去除率木炭复合78.3%、不锈钢89.7%，对照反升30.1%与52.6%；II阶段木炭复合底水NH₄⁺较I末再降约65%，不锈钢组回升；沉积物NH₄⁺木炭复合降34.6%、不锈钢降26.4%，对照几乎不变；TN同步下降，NO₃^?/NO₂^?先升后趋零，无中间产物完全平衡暗示氮损失。3.3 溶解气体变化指出，II阶段底水H₂S骤升（木炭复合至2240?μg-S/L、不锈钢至1576?μg-S/L），CH₄底水高于表层；N₂O在II阶段木炭复合SMFC底水较对照平均低10.7%（p<0.05），不锈钢仅低3.9%（p>0.05），说明木炭复合阳极有助抑N₂O积累。3.4 PO₄^3?、TC与沉积物有机质显示，PO₄^3?各组均升且处理组高于对照，TC波动小，挥发性固体（VS）/总固体（TS）比中期峰值后回落，表明碳硫磷释放与电极运行相关但磷酸盐未被固定。3.5 微生物群落演化揭示，处理阳极富集Aequorivita、Methylotenera、Thiothrix、SM1A02、Marinicella，对照阳极以Methyloprofundus、Nitrosomonas为主；处理阳极Shannon多样性显著更高，木炭复合阳极最高；FAPROTAX预测处理阳极硝化与亚硫酸盐呼吸增强，阴极硫酸盐/硫代硫酸盐呼吸偏高，对照阳极反硝化与甲基营养为主；沉积物种团变化较小但PLS-DA可分群，中期不锈钢电极沉积物反硝化功能增幅更大；Mantel检验示木炭复合电极菌群与底水NH₄⁺、TN、PO₄^3?、TC显著相关。

讨论部分总结，研究人员指出10?°C未阻断SMFC脱氮，长期运行微生物适应且木炭复合阳极因填炭增表面与附着位而脱铵更稳、多样性更高；Aequorivita含nosZ暗示N₂O还原促减排；底水DO≈1?mg/L时阴极氧限与电压降至~200?mV伴H₂S累积，但NH₄⁺去除维持，典型硝化菌Nitrosomonas受抑，SM1A02（Planctomycetes）与Marinicella分别关联厌氧氨氧化与反硝化，Methylotenera-Methylobacter甲醇/甲烷交叉代谢辅助脱氮，低阳极电位抑硫化物氧化却不阻氨转化；工程上简易电极达~84%水体NH₄⁺去除且N₂O不增，优于昂贵改性电极的现场推广潜力，但静柱未含潮汐动力与冰盖耐久，需野外验证。

结论部分翻译：所测SMFC系统在10?°C调查海岸沉积物中实现有效NH₄⁺去除，水体与沉积物NH₄⁺去除率分别约84%与30.5%（相对初始）；底水DO≈1?mg/L时木炭复合反应器溶解N₂O较对照显著低10.7%，不锈钢低3.9%；木炭复合阳极在DO波动下脱铵更高且稳，归于填炭结构、可用电极面积与阳极菌群综合效应；阴极限氧降电压并限沉积物硫化物氧化，但NH₄⁺去除维持；微生物分析示脱氮关联阳极SM1A02与Marinicella的潜在氨氧化及反硝化。总体所测SMFC系统在10?°C调查海岸沉积物具NH₄⁺去除潜力，为低温弱缺氧海岸沉积物条件提供技术参考。