德国亥姆霍兹环境研究中心Lukas团队ES&T：直流电场强化水性萘在生物滤池系统中的生物降解

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成果简介

近日，德国 Helmholtz 环境研究中心 UFZ Dr. Lukas 团队在环境领域知名期刊 Environmental Science & Technology 发表了题为 “DC Electric Fields Promote Biodegradation of Waterborne Naphthalene in Biofilter Systems” 的研究论文 (DOI: 10.1021/acs.est.4c02924) ，探明了直流电场诱导的 电动力促进水性萘在生物滤池中生物降解的作用机理。研究发现，弱直流电场驱动电渗显著提高了附着在多孔介质 ( 玻璃珠 ) 表面的 P. fluorescens LP6a 对水性 NAH 的生物降解速率最高可达 55% 。水性萘生物可利用性计算和多孔介质内流体流动机制分析表明：电渗通过增强水性萘在纳米孔道中表观扩散和停留时间，提高萘向附着细菌的传质效应是其作用机制。研究成果揭示了弱直流电场驱动中性有机物生物降解的物理机制，为催生新型生物过滤系统或其他应用，例如在水力负荷波动的情况下保持生物降解效率提供了科学依据 。

生物滤池是一种简单、低成本的水质净化方法，通常用于处理径流和工艺用水，甚至净化饮用水。然而在某些水力负荷下，即使是真正溶解的化学物质对表面附着的降解菌的可用性也会降低，这可能会限制其有效利用。直流电场作用于浸没的填料床时，会引发电渗流等效应。电动现象已被证明可促进地下水中带电、高水溶性污染物或疏水性土壤污染物的长距离传输和清除。在典型的生物滤池中，电渗流 (EOF) 会在多孔介质近表面产生微尺度流体流动曲线，与压力驱动流体形成互补。 EOF 通过改善压力驱动流体对多孔介质的流体动力“隐形”和“屏蔽”作用，促进多孔介质表面附着降解细菌附近污染物的微尺度传输和可用性来提升生物降解效率。电场诱导的电动力现象和水力负荷的叠加效应 可为科学精准治理污染物提供科技支撑。

图文导读

图 1 . 浓度 ( C ₀ ) 和达西速度 ( ) 对 LP6a 细胞降解 NAH 的影响 : 直流电诱导 NAH 生物降解 ( 橙色 ) 、无直流电诱导 NAH 生物降解 ( 绿色 ) 、直流电诱导非生物对照组 ( 黑色 ) 和无直流诱导非生物对照组 ( 灰色 ) 。

图 2. 浓度 ( C ₀ ) 、达西速度 ( ) 和相应的佩克莱特数 ( P _e ) 对 NAH 降解速率的影响： C ₀ ≈ 2.7 × 10 ^-5 mol·L ^-1 ( 图 2A) 、 C ₀ ≈ 5.1 × 10 ^-5 mol·L ^-1 ( 图 2B) 和 C ₀ ≈ 7.8 × 10 ^-5 mol·L ^-1 ( 图 2C) 。

研究发现，流速较低时，无直流电场诱导的生物滤池在最初的 1 - 8 PV 流出物中没有 NAH 。 NAH 浓度随后增加，通常在 5 - 8 PV 时达到稳定值，外流浓度随浓度和水力负荷的增加而增加 ( 图 1) 。相反，在高流速和 / 或最高进水浓度的情况下，从第一个 PV 开始就能观察到较高的相对流出浓度。在 NAH 稳定流出时， NAH 生物降解速率 q _c ( 图 2A-C) 稳定在 43 - 396 nmol·mg _protein ^-1 ·min ^-1 ，始终低于搅拌充分的批次实验中的 q _max (555 nmol · mg _protein ^-1 · min ^-1 ) 。在给定的水力负荷下， q _c 随 C ₀ 的增加而增加 ( 图 2A - C) ；而在给定的 C ₀ 下，降解速率 q _c 首先随流速的增加而增加，然后在 > 0.8×10 ^-4 m·s ^-1 时急剧下降。

应用电场强度 E = 0.5 V·cm ^-1 的直流电场可改善生物降解，这一点可从 NAH 流出浓度的显著降低得到证明。在两种较低流速和最低 C ₀ 条件下，直流电场导致 NAH 完全降解的时间延长 ( 图 1), 但 NAH 突破曲线的形状与无直流电生物对照组相似。非生物对照组中均未观察到 NAH 的去除，这表明没有电化学降解或生物质对 NAH 的大量吸附。在 67 - 537 nmol·mg _protein ^-1 ·min ^-1 的范围内，应用直流电场的 q _c 始终比无直流电场的生物滤池高 4 - 55% ( 图 2A - C) 。直流效益与 NAH 浓度无关，但随着流速的增加，直流效益分别增加了 ≈ 0 - 6% 、 10 - 17% 、 30 - 37% 、 39 - 55% 和 41 - 52% 。

图 3 . 浓度 ( C ₀ ) 、达西速度 ( ) 和相应的佩克莱特数 ( P _e ) 对 NAH 生物可利用性 ( B _n ) 影响： C ₀ ≈ 2.7 × 10 ^-5 mol·L ^-1 ( 图 3A) 、 C ₀ ≈ 5.1 × 10 ^-5 mol·L ^-1 ( 图 3B) 和 C ₀ ≈ 7.8 × 10 ^-5 mol·L ^-1 ( 图 3C) 。

生物可利用性系数 B _n 表明， B _n < 1 表示 NAH 的生物降解受质量传递控制，而 B _n > 1 则表示生物降解受微生物活动控制。这意味着，在流速较高的情况下，无论 C ₀ 如何变化， B _n 都能证实细菌对 NAH 的利用率较低 ( 图 3B) 。然而，在中等水力负荷时，尽管 q _c < q _max ， B _n 仍达到了统一值。这表明，在所有生物滤池中，只有一部分测得的生物量在积极降解 NAH 。由于在所有流量下，加载过程中流出的相对细菌浓度几乎都达到了统一值，因此我们排除了生物量沿菌柱流道分布不均匀的原因。我们认为单个玻璃珠上的细菌生物量分布不均匀。单个收集器的不规则负载可能是由于沿玻璃珠的传输速度不均匀，以及收集器玻璃珠周围切线流的剪切分量导致细菌沉积几率降低 (“ 阴影区 ”) 。在层流条件下，球形收集器周围的流速取决于其表面的位置。例如，球形收集器前方和后方停滞点的流速较低，可能会导致阴影效应减弱和局部生物质负荷增加 ( 图 5) 。因此，在微观尺度上，不均匀的流动和不均匀的生物质分布之间新出现的相互作用，可能会导致在流速增加时， LP6a 细胞的 NAH 可用性和生物降解能力降低。

图 4 . 达西速度 (A) 和生物利用性系数 (B) 对直流电场促进 P. fluorescens LP6a 生物降解 NAH 相对益处的影响。

采用与水力负荷相反的 EOF 可显著降低 NAH 的流出浓度，并将去除率提高 4-55%, 直流效益随流速和相关的 P _e 呈线性增长 ( 图 4A) 。数据表明，当 P _e 增加时，直流电场可促进 NAH 的生物利用率和生物降解 ( 图 4) 。在一定长度范围内，扩散和对流传输所需的时间尺度比分别增加的情况下，直流电场可促进 NAH 的生物利用率和生物降解。同样，直流效益与 P _e 值之间存在高度相关性，这表明直流可缩短 NAH 降解的表观扩散时间。将直流效益与相应的无直流情况下的生物利用率进行比较，我们发现在流速较低时具有良好的共线性，即在 B _n << 1 时直流效益较差，而在 B _n ≈ 1 时直流效益较高。然而，最高达西速度下的直流效益最高，不合适的流动条件分别导致 B _n ≈ 0.5 和 q _c < q _max ( 图 4B) 。在这里，电动效应似乎有效地增加了向水柱中降解生物质的 NAH 运输。

图 5 进一步说明直流电场促进 NAH 向 LP6a 细胞传输的机制。在微观尺度上，流体流动主要受孔隙和外加电场诱导的 EOF 的方向影响。例如，沿着沿电场方向排列的表面和孔隙结构，电渗流动预计会更大。在生物滤池中，这可能是玻璃珠表面上方流速最高的地方 (A 区，图 5) 。然而，在压力和电驱动力仅部分抵消的情况下，可能会在玻璃珠表面附近出现较高的分散 (B 区，图 5) 或产生微尺度湍流 (“ 漩涡 ” ， B 区；图 5) ，从而导致较高的 NAH 质量转移和细胞可用性。这两个因素，即在高流量点增加局部停留时间和在低流量区增加 EOF 驱动 NAH 向细胞的质量转移，可能解释了所观察到的直流对 NAH 生物利用率和生物降解的益处。我们的研究结果可能会同时催生新型生物过滤系统或其他应用，例如在水力负荷波动时保持生物降解。

图 5 . 直流电场诱导 EOF 效应改善 NAH 生物降解的预测机制。