利用微生物燃料电池研究典型复合污染对根际微生物的生态毒理效应

近年来现代工业的快速发展和污染物的过量排放，土壤污染趋于多元化和复杂化。各种污染物在环境中迁移转化形成复合污染，直接危害到人类健康和生态安全。传统研究手段较为复杂且广谱性不足，难以在线研究复合污染的毒理效应。近年来微生物燃料电池（MFC）的发明为复合污染的毒理效应提供了在线研究的新手段。本研究以Cd和土霉素作为典型污染物，拟在MFC中分别研究重金属Cd和土霉素单独和复合污染的生物电化学反馈机制，考察各种环境因素对检测灵敏度的影响，构建污染物微生物毒性效应的原位表征方法。基于此方法拟以小麦作为受试植物构建小麦根际MFC，研究小麦根部水培环境在受到上述单独和复合污染胁迫时MFC电化学信号的变化规律，分析Cd与土霉素的协同/拮抗作用机制。结合常规根际毒理学指标,揭示植物根部受到复杂毒性物质侵害时根际效应和微生物活性变化规律的内在联系，为研究复合污染的根际效应和生物有效性提供新的方法。

生物电化学系统（BES）中阳极微生物受到有毒物质的影响会引起电压/电流的下降，可制成活体生物毒性传感器，具有广阔的应用前景。本研究以污水中混菌为产电微生物来源时，加入Cd作为有毒物质进行检测，未得到有规律的毒性响应。当研究对象改为模式产电菌株Shewanella Oneidensis MR-1后，获得了稳定的基线，发现其生物膜对有毒污染物的电流衰减符合指数方程I=ae^(-bt/3600)，其中a为放大系数，b为毒性系数。其中，a只与基线电流大小有关，b只与有毒污染物的浓度线性相关。基于此方程我们成功地将基线电流的影响从总电流信号中分离出去，实现了对污染物生物毒性更加准确的描述。此外，还开发了低成本高性能的辊压活性炭空气阴极，确定了影响阴极性能最关键的三相界面位于直径6微米的活性炭-PTFE微界面上。证实了活性炭粉末与PTFE辊压成电极能够提升活性炭粉末的氧还原转移电子数，氧还原的催化过程可能发生在直径小于2纳米的微孔内。通过简单的催化层“取消烧结”可将功率密度进一步提升35%。提出了阴极内部离子传递是限制功率进一步提高的瓶颈，在无缓冲条件下向活性炭表面负载阴离子交换官能团使BES的功率密度进一步提升了51%，最大功率密度高达2781 mW/m2。通过向阳极添加Fe(III)纳米氧化物将BES输出功率提高了22~36%，发现了固体Fe(III)氧化物能够显著加速阳极微生物的电子传递，电极表面形成的Fe(II)/Fe(III)具有显著的暂态电荷储存功能。