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沉积物微生物燃料电池—一种抑制藻源性“湖泛”的潜在方法

周艳丽  蔡海元  晏再生  江和龙  
【摘要】:湖泊富营养化水体中的藻类大量暴发、积聚和死亡后,在适宜的气象、水文条件下,与沉积物中的有机物在缺氧和厌氧条件下产生生化反应,易于形成"湖泛",从而导致严重的生态破坏并引起水危机等灾难性问题。沉积物微生物燃料电池(SMFC)作为一种新型的修复技术,可以在降解沉积物中有机物的同时产生电能。本研究构建SMFC修复聚集大量死亡、腐烂藻华的沉积物,以未添加藻华的沉积物为对照,同时设置自然降解对照组,研究SMFC的产电性能、有机物的降解特性及微生物群落结构的变化特征。研究结果表明,藻华的添加提高了SMFC的产电性能,同时SMFC通过改变有机物降解速率、有机物代谢途径、微生物群落结构等潜在地破坏了藻源性"湖泛"发生的物质基础。藻华大量聚集的自然降解对照组中,沉积物5天内即出现膨胀发泡现象,现象与湖泛类似,并持续2个月,对应的SMFC组并未出现此现象。试验持续运行100天后,SMFC组的烧失重(LOI)和易降解有机物(ROOM)均高于自然降解对照组,间隙水和沉积物中的二价铁浓度也均高于自然降解对照组,分别表明了SMFC组较低的有机物降解速率及厌氧代谢途径的改变。454高通量测序显示SMFC的应用极大地改变了沉积物的微生物群落结构,除阳极生物膜富集了特定种类的微生物以外,主体沉积物的微生物群落结构也发生了较大改变。就细菌而言,主体沉积物中拟杆菌门和δ-变形菌门数量显著多于对照组,而酸杆菌门、放线菌门和α-变形菌门显著少于对照组;就古菌而言,主体沉积物中产甲烷菌的比例为78.3%,显著低于对照组的89.3%,且氢营养型产甲烷菌的比例(59.3%)显著高于对照组(41.8%),这些都可能是抑制藻源性"湖泛"的重要因素。

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