一种植物-微生物燃料电池阻截土壤纳米颗粒源金属离子流转的方法与流程

本发明，具体涉及一种植物-微生物燃料电池阻截土壤纳米颗粒源金属离子流转的方法。

背景技术：

植物-微生物燃料电池(p-mfc)通过植物和微生物联合利用太阳能降解水中或土壤中植物根系分泌物进而产生电能，产生的电子从阳极通过外部电路到阴极区被消耗，反之有机物经电化学反应被微生物降解。

纳米氧化锌是一种广泛流存于土壤系统并对环境和人体健康毒性较高的重金属来源，由于其高溶解性、流动性及自身的毒性，在土壤修复领域的去除是一项重大挑战。土壤中微生物胞外电子传递及阴极电子转移可能还原土壤中的金属离子从而实现固定化，减少其环境流转的可能，机理见附图1。

目前大多数关于p-mfc的研究侧重于提高传输效率或降低p-mfc内部电阻以获取更多的能量或营养物质，而在去除污染物方面的研究有限，其中修复重金属污染的信息很少。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种植物-微生物燃料电池阻截土壤纳米颗粒源金属离子流转的方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明通过构建p-mfc解决土壤重金属污染问题，p-mfc对土壤中暴露的纳米氧化锌颗粒起到良好的阻截效应。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种植物-微生物燃料电池阻截土壤纳米颗粒源金属离子流转的方法，包括以下步骤：

(1)设置p-mfc：在容器中填装风干土壤，然后加水至淹没土壤表面，在水土交界处设置阴极板，将阳极板设置在土壤中，阴阳两极板间导线连接于水土交界面以上，并外接电阻，在土壤中种植健康的水生植物，且水生植物的根部生长至穿透阳极；

(2)培养生物膜：控制p-mfc温度及光照时间，每天定时测量记录p-mfc的电流和电压，当电压大于50mv，电流大于120ma时，即培养出阳极生物膜；

(3)将p-mfc整体埋入受纳米颗粒源重金属污染的土壤中运行，从而实现对土壤纳米颗粒源金属离子的阻截。

进一步地，土壤表面淹水1-2mm。

进一步地，所述阴极板和阳极板均为导电石墨毡。

进一步地，阴极板尺寸3cm×10cm×0.5cm，阳极板尺寸10cm×10cm×0.5cm。

进一步地，所述阳极板为一块或两块，当阳极板为一块时，阳极板设置在阴极板下侧竖直距离3cm处的土壤中；当阳极板为两块时，阳极板设置在阴极板下侧竖直距离3cm和6cm处的土壤中。

进一步地，外接电阻的电阻值为1000ω。

进一步地，所述水生植物为白鹤芋。

进一步地，步骤(2)中控制p-mfc温度为26±1℃，每天光照时间至少为在100lux光强下照射10小时。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法建立在土壤微生物和植物生态协作的基础上，适用于纳米颗粒源金属离子污染的生态强化治理。将本发明构建的p-mfc应用纳米颗粒源金属离子污染的土壤，可以发现p-mfc对土壤中暴露的纳米颗粒源金属离子起到良好的阻截效应，主要截留在土壤上层(5-10cm)使其不再向下层迁移，方便后续的异位修复和金属回收。阻截原理在于植物通过光合作用将空气中的二氧化碳转化成有机物，其中大部分有机物由植物根系分泌至根际环境中。在产电微生物的作用下，这些物质被转化为电子、质子和二氧化碳，阳极生物膜的微生物可通过多种方式将电子跨细胞膜传到阳极，电子通过导线传递至阴极，阴阳两级之间形成电位差，产生电流，并将暴露的纳米氧化锌阻截在阴极附近。过程中通过植物-微生物燃料电池提升土壤微生物种间电子转移和微生物-金属离子间电子转移效率，其中一部分电子直接用于低价电子的还原钝化；同时由于p-mfc环境下微生物胞外电子呼吸强化导致的微生物代谢活性增强，通过微生物的异化金属还原作用钝化纳米颗粒源金属离子扩散。本方法下构建的p-mfc不会影响植物生长及土壤微生物酶活，培养初期电流随着植物的生长快速增，过程中无需外加能源和额外营养液供给，且土壤微生物生态修复效应提升明显，属于环境友好型生物修复技术。

附图说明

图1为p-mfc钝化金属离子机理图；

图2为五组装置构型图，其中(a)为对照设置；(b)为有植物对照设置；(c)为单阳极p-mfc设置；(d)为双阳极p-mfc设置；(e)为单阳极土壤mfc设置；(a)(b)(c)(d)(e)分别对应1号装置、2号装置、3号装置、4号装置和5号装置；

图3为五组装置的各土层锌浓度对比图，(a)、(b)、(c)、(d)分别为未离心水淋滤、未离心弱酸淋滤、离心后水淋滤、离心后弱酸淋滤；

图4为各植株组织生物量占比图；

图5为各植株aea抗氧化体系酶活对比图；

图6为五组装置的土壤微生物酶活对比图，(a)、(b)分别为土壤微生物fdah、dh活性；

图7为p-mfc运行过程中产电效能图，(a)、(b)分别为电流、电压变化。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

一种植物-微生物燃料电池阻截土壤纳米颗粒源金属离子流转的方法，包括以下步骤：

1.设置p-mfc：水土交界处设置阴极板，阳极板设置在土壤中，阴阳两极板间导线连接于水土交界面以上，外接电阻箱，种植健康状况良好的白鹤芋，根部穿透阳极；电极材料选取高纯耐高温石墨毡，阴极板尺寸3cm×10cm×0.5cm，阳极板尺寸10cm×10cm×0.5cm，阳极板为一块或两块，当阳极板为一块时，阳极板设置在阴极板下侧竖直距离3cm处的土壤中；当阳极板为两块时，阳极板设置在阴极板下侧竖直距离3cm和6cm处的土壤中，外加电阻1000ω；

2.培养生物膜：控制温度及光照，维持26±1℃的温度及早八点到晚六点的光照；每天定时测量记录电流、电压，当电压大于50mv，电流大于120ma时，说明阳极生物膜已经长成；

3.生物膜长成后将p-mfc整体投入受纳米颗粒源重金属污染的土壤中运行；

4.在极板附近的采样点定期采样评估金属离子钝化效果并定期检查更换阳极板。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

一种植物-微生物燃料电池阻截土壤纳米颗粒源金属离子流转的方法：

1.设置p-mfc：取水稻土表层土1.4kg风干后过2mm筛后填装于内径15cm、高15cm的透明玻璃柱内，保持土壤表面淹水1-2mm；电极材料选取高纯耐高温石墨毡，尺寸为3cm×10cm×0.5cm的阴极板设置在水土交界处，尺寸为10cm×10cm×0.5cm的阳极板设置在阴极板下方3cm处的土壤中(单阳极)，(双阳极)设置在阴极板下方3cm处和6cm处，阴阳两极板间的铜导线连接于水土交界面以上，外接电阻箱1000ω；种植健康状况良好的白鹤芋，根部穿透阳极板；共设置五组装置：两组p-mfc(单/双阳极)，三组对照(纯土、土与植物、土与电阻箱)，具体构型见附图2；

2.培养生物膜：维持26±1℃的温度及早八点到晚六点的光照；每天定时测量记录电流、电压，当电压大于50mv，电流大于120ma时，说明阳极生物膜已经长成；

3.生物膜长成后，准确称量五份700mg纳米氧化锌(上海迈坤化工)分别超声分散于1l水中并加入五组装置中；

4.装置持续运行二十五天后，土样分四层挖出，阳极上下层及阴极附近土样、极板、植株各部分别取样，4℃冷藏保存用于后续测试；

5.锌的测定：分别以水和弱酸(模拟酸雨，ph＝4)为淋滤液制备土壤浸提液，将所得浸提液分为两部分，一部分进行超速离心，另一部分未离心，icp-aes测定锌浓度，各土层五组锌浓度差异见附图3；

6.植物生物量及酶活测定：分别取白鹤芋的根、茎、叶观察并测量、称重，各植株组织生物量占比见附图4，aea抗氧化体系酶活见附图5；

7.土壤微生物酶活性测定：分别测定五组的荧光素二乙酸酯水解酶(fdah)及脱氢酶(dh)活性，各三组平行，见附图6；

8.产电效能评估：整理汇总电流、电压变化，见附图7；

9.结果表明：(1)锌离子抑制率可达57％左右，且纳米氧化锌主要被截留在土壤上层；(2)在p-mfc运行过程中，与对照相比，白鹤芋生物量、叶片大小颜色、根系长度、aea抗氧化体系酶活无明显变化；(3)p-mfc的构建不影响土壤微生物酶活性；(4)p-mfc运行后可持续产电，20天后电流基本稳定在300ua以上，与无植物的mfc相比具有较高的产电性能；单层阳极和双层阳极在产电性能上无明显差别。综合上述结果，p-mfc对土壤纳米颗粒源金属离子有良好的阻截效应，减少其环境流转效应，说明该方法可有效治理纳米颗粒源金属离子污染且绿色可持续。