微生物燃料电池处理高盐废水的研究进展

2.2.2 盐度对含氮物质脱除效果的影响盐度影响

微生物代谢速度及酶活性的同时，也影响MFC 脱除含氮物质的效果。Dincer 等[81]研究了不同NaCl浓度下系统的硝化效率，发现NaCl 浓度为0 时，系统硝化效率为100%，而NaCl 浓度分别提高到10、30、50、60 g·L−1 时，硝化效率分别降至95%、90%、55%、40%，表明随着盐度的升高，微生物的硝化效率逐渐降低。Rosa 等[82]在研究含盐废水的硝化时也发现，当反应器中NaCl 浓度从25 g·L−1 提高到50 g·L−1 时，氨氮去除率由95%下降到50%。他们在随后的研究中再次证实了MFC 的硝化性能随盐度的升高而下降[83]。

盐度对反硝化性能影响的研究得到了不同的结论。Dincer 等[81]研究了不同NaCl 浓度下系统的反硝化效率，发现NaCl 浓度从0 分别提升至50g·L−1 和60 g·L−1 时，体系的反硝化效率分别降到60%和30%，表明随着盐度的提升，反硝化性能下降。郭姿璇等[84]探究了盐度对未驯化微生物活性的影响，发现NaCl 浓度为0 时，比亚硝酸盐反硝化速率（SNIDR）和比硝酸盐反硝化速率（SNADR）活性均为100%，当添加15 g·L−1 NaCl 时，SNIDR 和SNADR 活性分别下降到57%和74%，而当NaCl浓度增加到40 g·L−1 时，SNIDR 和SNADR 活性均显著下降到5%以下，同样发现盐度提升不利于反硝化。然而，Yoshie 等[85]在研究含盐废水中高反硝化活性细菌的特性时却发现，当NaCl 浓度为10.47g·L−1 时，系统的反硝化速率为1.1 kg N·m−3·d−1，而NaCl 浓度增加到13.89 g·L−1 时，系统的反硝化速率增加到2.5 kg N·m−3·d−1，表明随着盐度的提升，系统的反硝化性能得到提高。目前盐度对反硝化性能的影响机理尚不明确，但可能与盐度影响含氮化合物氧化还原酶活性有关。表1 列举了不同盐度下硝化反硝化酶活性的变化，从表中可以看出，随着NaCl 浓度从0 逐渐增加到24.5 g·L−1，亚硝酸盐还原酶（NIR） 的活性逐渐减小， 而氨单加氧化酶（AMO）、亚硝酸盐氧化酶（NOR）以及硝酸盐还原酶（NR）的活性均先增大，后减小。

2.3 盐度对MFC 中微生物生长和群落的影响

2.3.1 盐度对MFC 中微生物生长的影响

盐度是高盐废水区别于其他废水最显著的特征。由高盐所带来的溶液导电性、蒸气压、离子扩散性等物理性质改变，会导致微生物生长特性和群落结构的改变，进而影响微生物燃料电池的产电以及污染物的脱除。

研究表明，适当盐度的培养液含有丰富的离子，可以为微生物的生长发育提供必须的营养元素，因而提高盐度可提高微生物活性。但当环境盐度过高时，一方面高盐度会对微生物产生盐析作用，造成普通微生物的脱氢酶活性降低[86]，抑制微生物的生长[87]，如表2 所示，随着盐度的增加，脱氢酶活性显著下降；另一方面，高盐度会使微生物细胞内的水的渗透压升高，细胞内外的渗透压差会引起微生物细胞脱水，产生质壁分离，最终将导致微生物细胞过度失水而死亡[88]。此外，高盐培养液中含有的高浓度的无机离子还可能破坏细胞膜的选择透过性，进入细胞内，对微生物产生毒害作用，导致其死亡[89]。

盐度的突变会对微生物的生长造成冲击，微生物的新陈代谢会受到抑制，当冲击负荷过高时还可能导致微生物细胞的组分分解[40]。然而，当盐度缓慢地逐渐从低增高时，微生物会通过自身的渗透压调节机制来平衡细胞内水的渗透压，使其耐盐性能增强，获得在高盐环境下的生存能力[90]。还有一些微生物具有某些特殊基因，在高盐环境中，这些基因将会表达，使其具有一些特殊的结构，从而可以抵御高盐环境[91]，如在盐湖、深海等极端环境中生长的嗜盐菌[92]。嗜盐菌具有大量分布在特殊蛋白质和细胞壁上且带负电的氨基酸和脂类物质[93]，这种独特的生物结构，有助于微生物细胞内带正电的物质的累积，从而使嗜盐菌可以耐受极高的盐度[94]。

2.3.2 盐度对MFC 中微生物群落的影响

不同种类的微生物适宜生长的盐浓度也不同，对盐度的耐受阈值也不同，因此盐度会对微生物产生选择作用[95]，影响微生物群落结构及其多样性[96]。表3 为依据不同盐度对细菌的分类和各类别的典型菌种。

为了研究盐度对微生物群落结构的影响，一些学者通过改变盐浓度来探究微生物群落中优势菌的变化。采用逐步提高盐浓度以驯化微生物处理橡胶废水时发现：当NaCl 浓度从18 g·L−1提高到28 g·L−1时，细菌优势种属发生变化，最后假单胞杆菌成为优势菌属，且含量超过80%[97]，表明盐度变化会影响微生物群落中的优势种属。在此基础上，何健等[98-99]研究了逐步提高盐浓度的方法驯化微生物来处理含盐废水，发现当NaCl 浓度从较低值逐步提高到45 g·L−1 时，系统的优势菌属从邻单胞菌属变为节细菌属，也证明了盐度会影响微生物群落中的优势菌属。此外，罗勇等[12]对分别添加0、40、70 g·L−1 NaCl 的MFC 的微生物群落结构进行16SrDNA 基因片段分析，发现当NaCl 浓度从0 提高到40 g·L−1 时，阳极微生物群落结构没有明显变化，而当NaCl 浓度提高到70 g·L−1 时，群落结构发生明显变化，其中Enterobacter sp.和Shewanella sp.由于不能适应高盐度而消失，微生物优势群落变为未培养土壤细菌（uncultured soil bacterium clone），表明盐度对MFC 微生物结构的影响可能还存在一个分界值，超过此盐度值时，盐度变化会对微生物的群落结构产生影响，而低于此盐度值时，盐度变化不会对微生物的群落结构产生明显影响。基于此，Miyahara 等[74]系统研究了NaCl 浓度对单室MFC 阳极微生物的影响，发现NaCl 浓度低于5.84 g·L−1 时，Geobacter spp.在MFC 阳极大量富集，而当NaCl浓度高于17.53 g·L−1 时，阳极Geobacter spp.数量显著减少，而Gammaproteobacteria 和Bacilli 含量大幅增加。此外，盐度对MFC 的微生物多样性产生影响。Wu 等[100]研究了分别在添加10 g·L−1 和40g·L−1 NaCl 的人工废水中运行68 d 的MFC 的微生物群落结构，发现在两种盐度下运行的MFC 的微生物群落结构相差显著，在40 g·L−1 NaCl 下运行的MFC 生物多样性比在10 g·L−1 NaCl 下运行的MFC的生物多样性少40%，表明盐度提高使MFC 微生物的群落结构多样性减少。然而， 当以嗜盐沉积物为接种源处理不同盐度的高有机物废水却发现：当NaCl 浓度从25 g·L−1 提高到121 g·L−1 时，反应器的生物多样性并未发生显著改变，16S rDNA 结果显示体系中耐盐微生物占大多数，且其群落多样性高[18]，表明盐度对微生物群落多样性的影响还与接种源有关。当接种源为非耐盐菌时，盐度变化对生物群落结构和多样性产生显著影响；而当接种源为耐盐菌时，盐度变化对生物群落结构和多样性不产生显著影响。

3 结论与展望

高盐废水总量大、处理成本高，是一种典型的难处理废水。MFC 作为一种新型的废弃物利用化处理技术，具有电能回收和污染物处理双重功效，是废水处理方面的研究热点。将MFC 引入高盐废水处理领域可以为高盐废水处理提供一种新思路，可望解决高盐废水处理成本高和稳定性差的问题。

MFC 处理高盐废水的研究成果表明：盐度对MFC 的产电和废水处理效果均产生影响。MFC 的产电性能随着盐度升高先提升后下降，当 NaCl 约为20 g·L−1 时，反应器的产电性能最佳。以序批式运行的处理高盐废水的MFC 其产电性能优于以连续流运行，这与低盐度下的结果有所不同。盐度对有机物的脱除效果因不同系统而不同，对生物阴极MFC，有机物的脱除效率随盐度增加而下降，而对空气阴极MFC，有机物的脱除效率则随盐度增加先升高后下降。随着盐度的增加，系统的硝化性能逐渐下降，而系统的反硝化呈现不一致的研究结果，可能与盐度影响含氮化合物氧化还原酶活性有关。盐度对群落结构及其多样性的影响取决于接种源，当接种源为非耐盐菌时，盐度变化对生物群落结构和多样性产生显著影响；而当接种源为耐盐菌时，盐度变化对生物群落结构和多样性不产生显著影响。

虽然MFC 应用于高盐废水处理实现了产电和同步脱除碳氮污染物的效果，在盐度对产电和污染物脱除效果的影响方面也开展了深入研究，但目前MFC 处理高盐废水仍然存在许多问题：一方面，微生物燃料电池处理高盐废水过程中，阳极微生物的生长代谢、群落演替以及有机物与含氮污染物的作用过程和机制还不清晰，导致出现一些表观上相悖的结论；另一方面，目前脱除污染物仅研究了有机物和含氮物质，而脱硫、除磷、回收金属等的研究还未涉及。今后MFC 处理高盐废水的研究应开展以下几方面工作。

（1）高耐盐电化学活性微生物菌株的筛选和培养，在开发耐盐微生物菌株接种、驯化和生物膜生长有效途径的同时，利用现代基因工程技术，对微生物进行基因改造，提高其高盐度的耐受性。

（2）研究高盐环境下，产电生物膜的形成过程、生物膜的结构特征，查明微生物电化学过程与耐盐生物膜的稳定性是否存在一定的关系，提升MFC处理高盐废水的稳定性。

（3）反应器结构设计与优化，开展单室和双室结构反应器、温度、pH、溶解氧、污染物浓度、电极间距和空气阴极稳定性研究，查明影响高盐微生物产电性能的关键因素。此外，结合数值模拟进行反应热力学和动力学分析，探究不同条件对MFC性能影响的机理。

（4）开展微生物燃料电池在高盐废水中脱硫、除磷、回收金属等功能的研究，开发微生物燃料电池与其他废水处理技术的组合工艺。