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污水变废为宝的“活雷锋”:电活性微生物



 

现代生活赋予了我们诸多便利,然而我们在享受这些便利时往往为自然界制造了大量的污染。

例如日常生活中,我们擦地洗衣、刷锅洗碗、淋浴洗澡,这一切过程都伴随着大量的生活污水排放。

同时,我们吃穿住行所需的工业产品生产也产生大量废水。这些废水如果不经过任何处理排至江河湖海,会导致水体黑臭、藻华赤潮不断、鱼虾死亡,威胁人类的健康安全。

19世纪英国抽水马桶的推广和两岸工业废水的排放造成了泰晤士河污染,从1831年至1867年间,伦敦爆发了4次大霍乱,4万余人丧生。

先进的废水处理设施是人类社会可持续发展和现代文明的标志之一。目前,大部分生活生产废水通过排水灌渠收集至城市排水管网,最终流向污水处理厂。

微生物法是最常规、相对简单、应用广泛也是最有效的污水处理手段,通常大部分有机污染物都能通过微生物的新陈代谢作用去除,而这些微生物广泛生存于我们身边的土壤、空气、水和沉积物中。这些污水中令我们头疼的“污染物”在微生物看来是生命必备的能量和元素来源。我们每天需要摄取大量的糖类和蛋白质,吸入富含氧气的新鲜空气,在呼吸作用下分解有机物。有机物被氧化,其中的电子经过一系列酶促反应传递,最终传给氧气生成水,而整个电子传递过程伴随着大量能量载体物质(如ATP)合成,为我们的生命运动和机体生长提供能量。微生物的生长也是类似的,只不过它们需要的食物和能量来源是我们眼中的“废物”。电子转移过程伴随微生物生长的始终,废水中有机质的分解,本质上是微生物作用下的电子转移过程。这些微生物经过几十亿年的演化,对各种环境的适应能力超出人类的想象。当废水处理过程供氧充分的时候,空气中的氧气成为电子的归宿,这种处理方法叫做好氧微生物处理技术。而当水中氧气不足,微生物以甲烷、氢气等物质替代氧气作为电子的最终归宿时,我们称之为厌氧微生物处理技术。相较于好氧系统,厌氧微生物处理技术具有能耗低、污泥量少、对难降解有机物降解效果好以及可回收部分生物质能的优点,近年来得到环境工程领域科学家的重点关注。

 

电活性微生物

Exoelectrogens

在厌氧系统中,缺少强氧化性的电子受体(如氧气)是微生物降解速率低、代谢缓慢的重要制约因素,细菌之间的电子传递是限速的重要原因。由于绝大多数细菌的表面是绝缘的,微生物代谢电子的传递通常靠小分子氢气、甲酸等物质作为载体进行。近十年来,科学家发现了一类能够直接放电的细菌,称之为“电活性微生物(Exoelectrogens)”,它们通过细胞膜上内嵌蛋白、释放到环境中的电子载体,甚至生长出特殊的纳米级导电“头发”,把氧化有机物的多余电子传递给环境中的电子受体。这类微生物在土壤中大量存在,它们是推动自然界中金属矿物转化和元素地球化学循环的重要力量。当我们对这类细菌的认识逐渐深入,会发现它们在污水变废为宝的过程中作用至关重要。 

 

首先,它们将污染物降解产出的电子直接转出,为我们提供了污水生物发电的可能性。当我们利用电极将这些细菌电子收集起来形成电流,就构成了污水发电的微生物燃料电池。这种电池可以将污水中有机污染物的化学能直接转化为电能,实现水处理同步产电。这里微生物充当了微小的发电机,产生的电能来源于污染物的降解,为人类无私地工作,因而我们称其为“活雷锋”。目前的研究在实验室水平已接近3瓦每平米的功率密度[1],然而将其放大并应用于实际废水电能回收还是具有很大的挑战。需要看到的是,与好氧微生物不同,这些“活雷锋”并没有将污染物中的全部能量留给自身生长,而是无私地拿出一部分贡献给我们,或者说我们可以通过简单的途径取出部分微生物代谢能量,污水处理的污泥产率也会极大降低,有望解决污水处理中令人头疼的污泥问题。它们的代谢速率可简单通过外加电极调控,或许会成为加速厌氧系统降解速率的“发动机”。其次,电活性微生物还可与其他微生物交换电子,通过互营合作方式生存。像电影《阿凡达》一样,这也许是自然界中微生物之间互通信息的特殊形式。最令人兴奋的例子莫过于电活性地杆菌与产甲烷古菌之间的直接电子传递了[2]。厌氧沼气是废弃物资源化的重要手段,已在很多地区大面积推广使用,而污水中甲烷的生成主要是由产甲烷古菌进行的。科学家发现,在厌氧产甲烷过程中,某些种类的产甲烷菌合成甲烷的电子可来源于电活性微生物。这种合作互营的方式极大拓展了产甲烷微生物的“食物”范围,为我们提升产甲烷速率和效率提供了新的方法。而近期我们的研究也发现,除了产甲烷过程,电活性微生物也可在污水中自己选择合作伙伴联手进行高效的生物脱氮(图1),去除污水中的污染物硝酸盐,而其中的机理尚在研究中[3]。这些“活雷锋”确实可以无私地帮助缺少电子的微生物,发挥团队协作的优势实现共赢。

图1 电活性微生物选择了部分反硝化细菌,形成了红色团聚体水中照片(A)和扫描电子显微镜照片(B)[3] 

 

如前文所述,这些电活性细菌是广泛分布在土壤、沉积物和水中的。然而,自然界中它们的含量不足1%,而在驯化好的生物电极上,它的含量达到80%以上。这些“活雷锋”是如何从环境里获得的?“广发英雄帖”固然是有效的,然而这些“英雄帖”由谁去发呢?最新的研究表明,电场充当了最关键的信息传递渠道。强电场中,从污水中聚集到电极上的微生物膜呈红色球状,而随着电场强度下降,红色球状聚集体越来越少,生物膜也变为灰白色(图2)[4]。其中对电场响应最强的细菌名为Geobacter anodireducens,这是2016年由中国科学家从微生物燃料电池阳极生物膜中原位分离并命名的一种电活性微生物。

图2 强电场中从污水中获得的电活性生物膜(A)和弱电场中获得的生物膜[4]。图中标尺为50微米。

 

最后,利用电活性微生物代谢活性与产生电流直接相关的原理,科学家开发出了多种用于水中污染物浓度在线反馈和环境污染预警的生物传感器,让这些“活雷锋”为我们人类“试毒”。例如最早发现微生物直接电子传递现象的韩国科学技术研究院Byung-Hong Kim教授团队利用电活性生物膜实现了污水可生化需氧量(BOD)的在线测定[5]。科学家和工程师们联合开发了多种探测水中有毒重金属、有机污染物毒性,为水中有毒污染物的检测提供了新途径。最新的研究表明,以植物叶片为污染反馈灵敏单元,电活性微生物传感器有望实现空气污染的预警。植物光合作用会在根际分泌大量的有机养料,而这些养料可为电活性微生物提供食物来源。当植物叶片受到污染物的毒害,会快速反馈为光合效率下降、根际分泌物减少,从而引发根际电活性微生物食物不足的电流预警。以酸雨胁迫为例,当酸雨降落在水稻叶片后,酸雨激发的信号通过富马酸、半乳糖和葡萄糖通路由叶片经根传导至微生物,2分钟之内报警[6]。

 

总之,电活性微生物作为一类地球上最神奇的小生命体、在微生物电子传递过程中发挥着巨大作用的“活雷锋”,不断刷新我们对微生物能量代谢过程的认知,也为我们不断创造出的污染物快速降解、能源回收和污染预警“黑科技”提供了灵感和物质基础。

 

作者:南开大学环境科学与工程学院教授/博导  王鑫

 

参考文献:
 

[1] Wang X, Feng C, Ding N, Zhang Q, Li N, Li X, Zhang Y, Zhou Q. Accelerated OH- Transport in Activated Carbon Air-cathode by Modification of Quaternary Ammonium for Microbial Fuel Cells. Environ. Sci. Technol. 2014, 48, 4191-4198

[2] Rotaru AE, Shrestha PM, Liu F, Shrestha M, Shrestha D, et al. A new model for electron flow during anaerobic digestion: direct interspecies electron transfer to Methanosaeta for the reduction of carbon dioxide to methane. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 408-415

[3] Wan Y, Zhou L, Wang S, Liao C, Li N, Liu W, Wang X. Syntrophic Growth of Geobacter sulfurreducens Accelerates Anaerobic Denitrification. Front. Microbiol., 2018, 9, 1572

[4] Du Q, Mu Q, Cheng T, Li N, Wang X. Real-time Imaging Revealed That Exoelectrogens from Wastewater Are Selected at the Center of a Gradient Electric Field. Environ. Sci. Technol., 2018, in press, DOI: 10.1021/acs.est.8b01468

[5] Kim BH, Chang IS, Gil GC, Park HS, Kim HJ. Novel BOD (biological oxygen demand) sensor using mediator-less microbial fuel cell. Biotechnol. Lett., 2003, 25, 541-545.

[6] Li T, Wang X, Zhou Q, Liao C, Zhou L, Wan L, An J, Du Q, Li N, Ren ZJ. Swift Acid Rain Sensing by Synergistic Rhizospheric Bioelectrochemical Responses. ACS Sensors, 2018, 3, 1424-1430

 


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