HA@Fe3O4修饰阳极增强微生物燃料电池降解类固醇雌激素
《精细化工》
2024年 41卷
第1期
20230084
中图分类号：X703；TM911.45
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摘要
利用腐植酸（HA）与具有较强电容性的纳米FeO颗粒形成的金属化合物（HA@FeO）修饰微生物燃料电池（MFC）阳极，探究含有以17α-乙炔基雌二醇（EE2）为代表性类固醇雌激素（SEs）的模拟废水在MFC阳极的降解特性，并对EE2降解过程中MFC的产电特性进行了表征。电化学交流阻抗测试结果表明，与不存在HA@FeO的MFC相比，存在HA@FeO的MFC的欧姆阻抗降低了79.58%，电荷转移阻抗降低了89.60%。循环伏安扫描结果显示，HA@FeO的存在显著增加了阳极板的电容。HA@FeO修饰阳极后MFC最大功率密度可达537.37 mW/m。HA@FeO修饰的阳极可显著提高MFC对EE2的去除率，EE2在低浓度下（≤5.0 μmol/L）可以介导电子转移，提高MFC的产电性能，进而提高MFC去除EE2的能力，但高浓度（5.0~10.0 μmol/L）时会抑制微生物的活性并降低MFC产电效率。
关键词: 腐植酸 燃料电池 17 α-乙炔基雌二醇 HA@Fe 3O4 生物膜 厌氧 水处理技术
类固醇雌激素（SEs）是一类典型的环境内分泌干扰物，也是一类广受关注且危害较大的新污染物，常规的污水处理工艺（活性污泥法、臭氧氧化法、微滤法等）难以将其完全去除。SEs能通过模拟人或动物体的生理、生化作用干扰生物体内荷尔蒙的合成分泌，进而影响生物体正常的生殖、发育和其他行为 。其中，最具代表性的SEs为人造17 α -乙炔基雌二醇（EE2）。由于EE2结构稳定且水溶性差（辛醇-水分配系数lg K ow =4.15），其在生物体内不能被完全吸收或代谢，导致大量EE2会随生物体排泄进入生活污水 。目前，常用的EE2处理技术包括超声、臭氧氧化、膜生物反应器和反渗透等方法 ，但这些技术存在能耗高和二次污染等问题。因此，亟需寻找一种经济有效的处理技术去除废水中的EE2。
研究表明 [9-11] ，利用微生物燃料电池（MFC）阳极氧化或阴极还原作用可有效处理偶氮染料、苯酚、硝酸盐、石油污泥等难降解污染物。在当今水污染愈发严重、能源愈发短缺的时代，MFC被认为是一种符合可持续发展理念的技术 。MFC阳极板电子传递性能在很大程度上决定了MFC的产电性能以及对污染物的降解能力。因此，阳极板对整个系统起着至关重要的作用，提高MFC阳极板电子转移性能是该技术研究的重点。
有研究表明 ，不锈钢箔表面形成纳米Fe 3 O 4 薄膜后有成为超级电容器的潜力，纳米铁氧化物可以促进电活性菌与阳极之间的电子传递效率 ，且自然环境中的金属还原菌多以Fe 3 O 4 作为天然的电子受体 。腐植酸（HA）作为一种天然有机物，对自然环境中的物质能量转移起到了重要作用 。而且HA作为一种电子传递中介体，可大幅提高微生物代谢过程中胞外呼吸的电子传递效率。鉴于HA的这种特殊电化学性质，将其应用于MFC系统，将有望实现在低能耗的前提下对SEs的高效降解。但是，直接将HA修饰在阳极板表面比较困难。本研究设想纳米铁氧化物和HA在疏水基团和静电力的作用下可以形成稳定包裹物，衍生出不同于原始HA的物理化学特性，掩蔽HA的疏水基团，进而将其负载到MFC阳极板上 。
阳极板的廉价易得与稳定性是MFC实际应用必须考虑的因素，玻璃碳（GC）极板是一种具有优异性能的电极材料，具有低电阻、高稳定性、高机械强度、良好的耐腐蚀性和高温稳定性等特点，适合用于制作MFC的阳极板。本研究采用HA与纳米Fe 3 O 4 作用形成金属化合物（HA@Fe 3 O 4 ）来修饰MFC阳极 。旨在探究HA@Fe 3 O 4 修饰阳极的MFC对EE2的去除效果。利用电化学交流阻抗（EIS）测试了电极性能并研究了HA@Fe 3 O 4 修饰阳极对MFC产电性能的影响。通过高效液相色谱仪检测EE2浓度，分析了不同EE2浓度下MFC对EE2的去除效果。本研究对于推动利用MFC技术降解新污染物具有重要的理论价值和实践意义。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
EE2、腐植酸钠、铁氰化钾、亚硝酸钠、乙腈，分析纯，美国Sigma-Aldrich公司；乙酸钠、对苯二胺、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺（EDC）、 N -羟基丁二酰亚胺（NHS）、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、乙酸钠、氯化钠、氯化铵、酵母粉，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；GC阴极（纯度99.99%），北京晶龙特碳石墨厂；六水合氯化铁、四水合氯化亚铁、六水合氯化镁、二水合氯化钙，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；盐酸、氨水，分析纯，四川西陇科学有限公司；氮气（纯度99.9%），昆明仑辉经贸有限公司。
1260型高效液相色谱仪，美国Agilent公司；CHI660E型电化学工作站，上海辰华仪器有限公司；Beckman 64R型高速冷冻离心机，美国贝克曼公司；IPAM-6505数据采集模块，中国杭冠达电子科技有限公司；DRB200型消解仪，美国哈希公司；Elementar vario TOC cube总有机碳分析仪，德国Elementar公司；Shimadzu 2600型紫外-可见分光光度计，日本岛津公司；Scientific K-Alpha Nexsa型X射线光电子能谱仪(XPS)，美国Thermo公司；UPH-I-60L超纯水器，四川优普超纯科技；VC890F数字万用表，中国驿生胜利科技有限公司。
1.2 HA@Fe
在圆底烧瓶内加入6.10 g（0.0225 mol）六水合氯化铁和3.00 g（0.0151 mol）四水合氯化亚铁，溶解于100 mL水中。圆底烧瓶上方加装回流冷凝装置，整个合成过程持续通入氮气保证厌氧环境，并通过磁力搅拌确保反应充分。将圆底烧瓶加热至90 ℃后，迅速将10 mL（质量分数25%）氨水溶液和50 mL（质量分数1%）腐植酸钠水溶液依次加入到圆底烧瓶中，在90 ℃恒温条件下搅拌30 min使其充分反应，自然冷却至室温后将反应产生的固体用超纯水（18.25 MΩ·cm，25 ℃）洗至中性，并在40℃下真空干燥至恒重制得HA@Fe 3 O 4 ，常温常压下干燥储存备用。
使用厚度为0.2 mm的GC极板作为载体，负载之前先在抛光垫上依次用20 mL的1.00、0.30和0.05 μm的氧化铝抛光液（氧化铝抛粉和水以1∶9的体积比混合）进行抛光。抛光后用去离子水将电极彻底冲洗干净，并在去离子水中超声处理2 min以去除表面脱落的石墨颗粒。将0.54 g（0.005 mol）对苯二胺溶解在0.5 mol/L盐酸（500 mL）中，然后向其中加入0.35 g（0.005 mol）亚硝酸钠。将处理后的GC极板置于上述混合溶液中，使用锡箔纸包裹住整个反应容器确保黑暗环境，同时向混合溶液持续通入氮气，将反应容器放置在冰水混合液中，并使用温度计实时检测冰水混合液的温度，使反应容器里的温度控制在0~5 ℃，反应约10 min ，原位生成了芳基重氮盐（GC-Ph- Cl – ）。为了将HA@Fe 3 O 4 负载到GC极板表面，使用循环伏安法（CV）对GC极板表面进行电化学还原改性，使GC极板表面衍生4-氨基苯基。CV以100 mV/s的扫描速率在0.6~–1.0 V的电势范围持续扫描两个周期。GC极板通过上述改性后依次在去离子水、乙腈、去离子水中超声冲洗，最后在真空干燥箱内90 ℃下干燥24 h，最终得到的极板命名为GC-Ph-NH 2 。将干燥后的GC-Ph-NH 2 极板浸入质量浓度1.0 g/L EDC和质量浓度2.0 g/L NHS的混合溶液（500 mL）中。并将HA@Fe 3 O 4 （50 mg）加入到上述EDC/NHS溶液中，在4 ℃下反应24 h。在EDC/NHS存在下，通过HA的羧基与GC-Ph-NH 2 的伯胺基的结合，在极板表面形成了稳定的HA@Fe 3 O 4 层，修饰后的极板命名为GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 。
1.3 MFC的组装和启动
MFC组装过程示意图见 图1
图1 MFC组装过程示意图
MFC采用聚碳酸酯外壳，阳极室和阴极室之间使用质子交换膜（NafionN-117PFSA Membrane，美国杜邦公司）进行间隔，两个反应室的容积均为56 mL。使用GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 和未修饰GC极板分别作为双室MFC的阳极和阴极，两极极板均为半径2.4 cm、面积18.1 cm 2 的圆形。阳极室接种的菌种取自昆明市第七、八水质净化厂A 2 /O工艺中厌氧段的厌氧活性污泥〔溶解性固体（19970±230）mg/L，总化学需氧量（13450±125）mg/L，pH 7.3±0.1〕。提取250 mL厌氧活性污泥于500 mL锥形瓶中，污泥曝氮气15 min排尽锥形瓶中的氧气后，使用封口膜和瓶塞进行密封处理，在厌氧条件下培养7 d，然后取10 mL上清液接种到阳极室。阳极液是含EE2（EE2根据实验所需浓度调整添加量）的模拟废水（56 mL），相比于厌氧活性污泥更适合微生物生长，其组成如下：磷酸氢二钠（4.3298 g/L）、磷酸二氢钠（2.3396 g/L）、乙酸钠（1.0000 g/L）、氯化钠（2.9220 g/L）、氯化铵（0.8000 g/L）、六水合氯化镁（0.2000 g/L）、二水合氯化钙（0.0500 g/L）、少量酵母粉〔其中，磷酸二氢钠、磷酸氢二钠可使用PBS缓冲液（pH=7）作为基础液代替〕。阳极液需要连续曝氮气15 min，使其呈完全厌氧状态后方可加入阳极使用。阴极液为质量浓度16.4625 g/L（56 mL）的铁氰化钾溶液 。将驯化后的厌氧活性污泥上清液接种至阳极室中后即可启动MFC。MFC外电路连接1000 Ω的电阻，通过数据采集模块采集双室MFC从启动期到稳定阶段的输出电压。每当电压值跌破30 mV时，更换阳极及阴极溶液，在10 d后电压升高至600 mV左右，表明阳极表面已形成稳定的生物膜。再次更换两次阳极溶液后，记录的电压呈周期性变化，标志着MFC成功启动。
1.4 MFC电化学性能分析
使用SEM分别对GC极板、GC-Ph-NH 2 以及GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 的表面形貌进行表征。使用X射线光电子能谱（XPS）对GC-Ph-N 2 + Cl – 和GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 表层元素化合态进行分析，将极板剪成5 mm×5 mm大小的块状，以Al K α 射线（0.6 eV）为激发源，通过能量为100 eV，增量能量为1 eV ，使用数据分析软件Avantage对XPS结果进行分析，以C 1 s =284.80 eV能量参比进行结合能校正，元素定量以及分峰拟合使用Smart模式进行。在MFC稳定运行后，采用CV法测试微生物与电极之间的电子转移特性。该测试使用电化学工作站进行，测试的扫描速率和区间是根据具体的研究对象来确定的。在进行CV测试中，阳极作为工作电极，阴极作为对电极，Ag/AgCl（0.199 V vs . SHE）作为参比电极放置在阳极室中。扫描速率设置为0.1 mV/s，扫描区间为–1~1 V。利用变电阻法 测量MFC的电流密度和最大功率密度，外接电阻箱电阻值在10.00~0.01 kΩ范围内梯度降低，电压稳定后记录电阻对应电压值。使用公式 P =1000× U 2 /（ RA ）计算功率密度（ P ，mW/m 2 ），使用公式 I a =U/ （ RA ）计算电流密度（ I a ，A/m 2 ）。其中，输出电压（ U ，V）通过数据采集模块每2 min采集一次； R （Ω）为对应电阻； A （m 2 ）为极板的面积。从而绘制出功率密度曲线和极化曲线，极化曲线的斜率可以很好地反映MFC的内阻信息。EIS法用于测试阳极与微生物之间的电子传递阻抗 。当MFC运行稳定后，转化成开路状态，稳定一段时间可测得开路电压，然后以阳极为工作电极，阴极为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极进行EIS测试，扫描频率范围为100000~0.01 Hz，振幅为5 mV，偏置电压为开路电压。根据REDDY等 的方法得到电极电势与电流密度曲线，在外电路电阻恒定为1000 Ω的条件下，为了消除测量过程中可能存在的误差因素，将各组MFC阳极液碳源更换为同一质量浓度的乙酸钠（1 g/L），放电过程中不添加任何其他碳源，Ag/AgCl为参比电极，用数字万用表测量电压。
1.5 EE2降解和微生物活性分析
在其他条件（阳极液等）保持不变的情况下，设置4个不同浓度的EE2溶液，分别是2.5、5.0、7.5、10.0 μmol/L，以测试不同浓度EE2对MFC性能的影响以及MFC对不同浓度EE2的处理效果。EE2浓度变化可通过高效液相色谱仪检测，根据EE2的去除浓度与EE2初始浓度的比值计算EE2的去除率 。每8 h进行一次取样，每次取样后阳极室均需曝氮气2 min以维持阳极室厌氧环境。MFC在（29±2）℃恒温培养箱中以补料分批模式运行。阳极液在每次更换之前亦需曝氮气15 min。将MFC两极断路，观察在没有电流产生的情况下MFC阳极微生物对EE2的去除率。溶液通过消解仪在150 ℃条件下消解120 min后，于620 nm波长下使用分光光度法测定化学需氧量（COD） 。使用紫外-可见分光光度计测试溶液在600 nm波长处的吸光度（OD 600 ），利用提前配好梯度浓度的细菌溶液（脱氯杆菌、梭菌等）对应的吸光度绘制标准曲线，根据吸光度的不同评估溶液中的微生物量。不同EE2浓度下阳极液中的磷酸酶浓度通过对硝基苯磷酸盐法、脱氢酶浓度通过氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法进行测定 。
2 结果与讨论
2.1 GC电极表面的改性与表征
为了使阳极表面形成稳定HA@Fe 3 O 4 层，采用共价结合的方法将HA@Fe 3 O 4 固定在电极表面。 图2 为修饰前后的GC极板表面的SEM图。未修饰的电极表面光滑且均匀（ 图2 a），通过重氮酸盐还原作用形成的GC-Ph-NH 2 表面出现了少量球形颗粒（ 图2 b）。HA@Fe 3 O 4 成功覆盖在GC极板表面后，GC极板表面出现了明显的颗粒结构（ 图2 c）。在完成MFC降解EE2的实验后，将阳极板从MFC阳极中取出按照上文所述方法，将极板剪成小块进行SEM表征，如 图2 d所示。可以看出，GC极板表面的HA@Fe 3 O 4 减少，但大部分仍然负载在GC极板表面，表明HA@Fe 3 O 4 在GC极板表面具有稳定性，不易脱落。
图2 电极的SEM图
分别对GC-Ph-N 2 + Cl – 和GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 进行XPS表征，结果见 图3 。由全谱图（ 图3 a）可见元素含量的变化。GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 相比未修饰的阳极板表面含有更多的Fe、O元素，而Cl元素含量减少则是因为HA@Fe 3 O 4 取代了N 2 + Cl – 。通过对GC-Ph-N 2 + Cl – 表面的N 1 s 精细扫描观察到5个峰（399.6、400.4、401.0、402.0和403.0 eV），从这些峰的存在可以推断GC极板表面形成了重氮基团 。由 图3 b、c可以看出，GC-Ph-N 2 + Cl – 与GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 极板均含有位于399.6 eV处的峰，表明两个极板表面均存在氨基，这可能是因为游离氨基基团仍然存在于极板表面。400.4 eV处的峰代表GC-Ph-N 2 + Cl – 极板表面形成了偶氮桥，401.0 eV处的峰是因为铵的存在，而在402.0和403.0 eV处的峰证明了重氮基团的存在 。这表明对苯二胺在NaNO 2 和HCl溶液中反应一段时间后，部分氨基已转化为重氮基团。 图3 c中400.8 eV处的峰属于碳氮键，表明HA@Fe 3 O 4 中的羧基与极板表面的伯氨基结合，HA@Fe 3 O 4 成功负载到GC极板表面 。
图3 GC-Ph-N
2.2 MFC和极板的电化学性能测试
HA@Fe 3 O 4 修饰阳极板前后MFC的开路电压和产电电压见 图4 。由 图4 a可知，在稳定期内以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极板的MFC开路电压更高，波动更小。原因可能是附着在GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 阳极上的微生物更加稳定。因此，以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极板的MFC电压更高 。如 图4 b所示，在MFC成功启动后，以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的MFC最大产电电压为700.9 mV〔比空白对照组（无修饰GC极板为阳极的MFC）高出21.39%〕。且经过修饰后的MFC启动更快（50 h左右电压明显开始上升）。这可能是因为GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 阳极板更有利于微生物附着，可以更快地在阳极板表面形成稳定的生物膜 。
图4 HA@Fe
由于HA@Fe 3 O 4 修饰阳极板后MFC产电电压升高，以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极板的MFC的产电性能也会有所变化。通过改变外电路电阻得到功率密度-电流密度曲线（ 图5 a）以及极化曲线（ 图5 b）。同时在外电阻恒定的条件下得到电极电势与电流密度关系曲线（ 图5 c）。由 图5 a可知，空白MFC的最大功率密度为378.13 mW/m 2 ，对应电流密度为1375.00 mA/m 2 ，而以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的MFC的最大功率密度为537.37 mW/m 2 （提高了42.11%），对应电流密度为2318.13 mA/m 2 （提高了68.59%）。以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的MFC的电流密度和功率密度均显著升高。如 图5 b所示，通过对空白MFC和以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的MFC的极化曲线进行线性拟合，得到空白MFC的内阻和以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的MFC的内阻，分别为228和168 Ω，HA@Fe 3 O 4 修饰阳极后MFC的内阻降低了26.32%。而MFC最大功率密度受内阻影响较大，MFC内阻的减小提高了MFC内部电子传递效率，因此，HA@Fe 3 O 4 修饰阳极后，MFC的最大功率密度和电流密度均升高，MFC的输出性能增强。通过观察不同阳极氧化电势（ 图5 c）发现，随着电流密度的增大，不同阳极电势变化较大，而阴极电势变化较小，这表明MFC性能主要受到阳极性能的影响。GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 电极负电位值变化较空白阳极的电极负电位值变化更大，而且随着电流密度增大这种差距越来越明显。这可能是因为HA的氧化还原电位更低，其负载到电极表面后加快了电子传递至阳极板的速度 。
图5 不同阳极MFC功率密度与电流密度的曲线（a）、极化曲线（b）以及电极电势与电流密度关系曲线（c）
CV法是一种用来研究阳极电化学特性及其与微生物之间相互作用关系的技术。为了研究HA@Fe 3 O 4 的修饰以及生物膜的形成对MFC阳极板电化学性能产生的影响，对MFC阳极板进行CV测试，结果见 图6 a。在GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 的CV曲线上观察到明显的氧化还原峰，是因为HA中存在氧化还原官能团（醛基、酮基等），表明HA@Fe 3 O 4 成功附着在阳极板表面。GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 和形成生物膜后的阳极板比无HA@Fe 3 O 4 和未形成生物膜的极板表现出更强的峰电流，前者是因为HA@Fe 3 O 4 具有较好的氧化还原活性，HA@Fe 3 O 4 负载到阳极板表面后使阳极板获得更大的电容特征；后者是因为大量的电活性微生物附着在电极表面起到了类似电容的作用。
图6 GC、GC-Ph-HA@Fe
通过EIS测试得出HA@Fe 3 O 4 修饰前后MFC阳极性能参数。在MFC运行稳定后进行EIS测试，并通过等效电路图拟合得到了奈奎斯特图（ 图6 b）。欧姆阻抗（ R o ）代表电子在MFC阳极内部的电阻，电荷转移阻抗（ R ct ）表示电子从阳极液转移到阳极板时遇到的阻力。 R o 与 R ct 的值越小，代表电子转移效率越高 。通过观察 图6 b发现，以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的MFC的 R o 与 R ct 都显著降低。通过 图6 b拟合后得到的 表1 数据显示，以GC-Ph-HA@ Fe 3 O 4 为阳极的MFC的 R o 为0.78 Ω/cm 2 ，较未修饰阳极MFC的 R o （3.82 Ω/cm 2 ）降低了79.58%。HA@Fe 3 O 4 修饰阳极的 R ct 仅为1.55 Ω/cm 2 ，较空白阳极（14.90 Ω/cm 2 ）降低了89.60%。出现这一现象的原因是，一方面，GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 通过提高GC极板的氧化还原活性，从而提高了GC极板的导电率；另一方面，GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 在阳极板表面起到介导电子转移的作用，从而提高了微生物产生的电子传递到阳极板的效率，进而增强了MFC阳极的电化学性能。
表1 运行后阳极材料的EIS拟合值
2.3 MFC降解EE2及COD的能力评估
为了研究HA@Fe 3 O 4 在MFC降解EE2过程中的作用，在未修饰阳极MFC开路（OC）、以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的MFC开路（OC+GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 ）、闭路MFC（空白）、以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的闭路MFC（GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 ）4种不同状态下，观察EE2以及COD和总有机碳（TOC）的去除率，结果见 图7
图7 不同条件下的EE2（a）及TOC和COD（b）的去除率
如 图7 a所示，开路状态下，在MFC阳极室内只发生了微生物降解作用，此时电活性微生物产生的电子无法传递至阴极，这种状态下HA@Fe 3 O 4 的存在亦提高了EE2的去除率（EE2浓度为5.0 μmol/L时，有HA@Fe 3 O 4 存在下，EE2的去除率比没有HA@Fe 3 O 4 存在时提高了约7.89%）。这可能是因为HA@Fe 3 O 4 修饰后的阳极更加有利于微生物的附着。闭路时，有HA@Fe 3 O 4 存在时MFC对EE2的去除率为67.63%，比没有HA@Fe 3 O 4 存在的MFC更高，这是因为MFC产生了电子转移，HA@Fe 3 O 4 可以加速电子转移效率，电活性微生物的活性增强，因此，EE2的去除率比闭路没有HA@Fe 3 O 4 存在时更高。开路和闭路的MFC对EE2的去除率均随着EE2浓度的升高先升高后降低。这可能是因为EE2在低浓度（≤5.0 μmol/L）下能够介导电子的转移 ，从而促进电活性微生物的生长；另外，EE2作为溶液中的一种底物，其浓度在一定范围内的增加也可以促进微生物数量的增加。而随着EE2浓度的继续升高，MFC对EE2的去除率下降，是因为高浓度（5.0~10.0 μmol/L）的EE2会抑制微生物生长 。由 图7 b观察到，在MFC开路或者闭路状态下HA@Fe 3 O 4 的存在均可提升MFC对TOC以及COD的去除率，这和MFC对EE2的去除效果一致。这可能是因为，一方面HA@Fe 3 O 4 修饰MFC阳极板后，阳极板更加有利于微生物附着；另一方面，HA@Fe 3 O 4 作为电子传递中介体，提高了阳极液和阳极板之间的电子传递效率，同时降低了阳极板电阻，MFC内阻减小，输出效率提高。同时由于电子转移效率提高，电活性微生物活性的增加，降解底物的能力也得到提升。
MFC电活性微生物活性的增加可能表现在微生物数量的增加，同时为了验证HA@Fe 3 O 4 的存在有利于微生物在阳极板的附着（阳极板附着的微生物数量增加后，阳极液中的微生物数量也会增加），探究了MFC阳极液微生物数量随时间的变化，结果见 图8 。从 图8 a可以观察到，以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的MFC微生物数量在开路或闭路状态下均大于空白MFC。一方面是因为HA@Fe 3 O 4 修饰后的阳极板表面更加粗糙，从 图2 c中可以观察到GCPh-HA@Fe 3 O 4 具有更多的孔隙，这为微生物的大量附着提供了有利条件；另一方面是因为HA@Fe 3 O 4 具有介导电子转移的能力，通过加速电子的传递，从而促进微生物生长代谢，进而促进微生物数量增加 。闭路MFC微生物数量大于开路MFC是因为，在连通电路后，阴极与阳极之间发生电子转移产生了电流，阳极的氧化还原电位提高，提高了微生物活性，促进了微生物生长。
图8 不同条件下阳极液微生物浓度变化（a）；不同EE2浓度下磷酸酶质量浓度（b）和脱氢酶质量浓度（c）随时间的变化
EE2在高浓度下抑制微生物生长可能是因为高浓度EE2对微生物酶的活性产生影响，本实验探究了微生物磷酸酶和脱氢酶活性的变化。磷酸酶在微生物生长过程中起到催化磷酸化合物的作用，当微生物生长环境中磷元素含量不足时，微生物可以通过合成磷酸酶来提高对环境中磷元素的利用率 。如 图8 b所示，磷酸酶质量浓度在EE2浓度为2.5~5.0 μmol/L大部分时间都表现出比空白组更高，且具有相似的趋势，即磷酸酶质量浓度随着时间增加而增加，最后逐渐趋于稳定。这是因为随着时间增加，阳极底物中的磷元素不断降低，微生物通过合成磷酸酶维持自身生长代谢。EE2浓度升高后，即在7.5~10.0 μmol/L下磷酸酶质量浓度随着时间增加先升高后降低，且10.0 μmol/L下磷酸酶的质量浓度降低得更早，最终的质量浓度也更低。说明高浓度EE2会抑制磷酸酶的产生，导致微生物对底物中磷的利用率变低，进而导致微生物活性变低。脱氢酶参与微生物代谢底物过程中发生的氧化还原反应，可以增强H + 以及e – 的释放。脱氢酶活性越高说明微生物产生电流的能力越强，进一步可以说明微生物去除污染物的能力越强 。从 图8 c可以看出，EE2浓度为5.0 μmol/L时脱氢酶的活性最高，这也是在此浓度下的EE2去除效率最高的原因之一。
3 结论
HA@Fe 3 O 4 修饰阳极可以提升MFC的产电性能。以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的MFC具有更高的产电电压，为700.9 mV，启动更快。与空白MFC（阳极板无HA@Fe 3 O 4 修饰）相比，以GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 为阳极的MFC内阻降低了26.32%，输出效率增大，产生的最大功率密度提高了42.11%，电流密度提高了68.59%。粗糙多孔的GC-Ph-HA@Fe 3 O 4 阳极增强了微生物的附着，亦提高了MFC的产电能力。
低浓度EE2可以介导电子转移，提升MFC产电性能，而高浓度EE2抑制了磷酸酶和脱氢酶的活性，进而降低了MFC的产电能力。在MFC阳极室内HA@Fe 3 O 4 可以作为电子转移中介体，在开路或是闭路状态下，均可以提高EE2的微生物去除率。在EE2浓度为5.0 μmol/L时，MFC对EE2的去除率达67.63%。强化MFC对EE2的去除效果是需要进一步研究的方向，本研究的开展将为探索生物电化学系统去除含有EE2废水的实际应用提供新的思路。
