Effects of electrochemical intervention on the remediation of black-odorous water: insights into microbial community dynamics and functional shifts in sediments

電化學干預對黑臭水體修復的影響：深入了解沉積物中微生物群落動態和功能變化

來源：Water Science & Technology Vol 87 No 11, 2776 doi: 10.2166/wst.2023.169

 

論文總結與分析

摘要核心內容

 

論文提出了一種電化學干預技術（施加2.5V、5V、10V電壓）用于修復黑臭水體。研究發現：

 

電壓提升底泥氧化性：顯著提高沉積物氧化還原電位（ORP），抑制H?S、NH?和CH?等惡臭氣體排放。

微生物群落重構：典型產甲烷菌（Methanosarcina、Methanolobus）和硫酸鹽還原菌（Desulfovirga）豐度下降，而化能異養菌（Dechloromonas、Azospira等）豐度上升。

功能轉變：硫酸鹽還原和產甲烷功能受抑制，有機物生化降解能力增強，CO?排放量顯著增加。

 

研究目的

 

開發經濟、實用、無污染的黑臭水修復技術。

闡明電壓干預對底泥氧化條件、惡臭氣體排放及微生物群落的影響機制。

探究電化學干預下微生物功能（硫循環、產甲烷、有機物降解）的轉變規律。

 

研究思路

 

graph LR

A[黑臭水模擬] --> B[電壓干預實驗]

B --> C[2.5V/5V/10V處理組 vs 對照組]

C --> D[監測水質與氣體排放]

D --> E[分析底泥微生物群落]

E --> F[功能預測與機制解析]

 

測量數據及意義

 

水質參數（圖2）

 

數據：pH、EC（電導率）、DO（溶解氧）、ORP-W（水體氧化還原電位）、ORP-S（底泥氧化還原電位）、NH??-N（氨氮）、色度、濁度。

意義：

ORP-S↑（最高+157 mV）證明電壓有效改善底泥氧化性（圖2e）。

高電壓組（5V/10V）DO恢復延遲（圖2c），因陰極阻礙復氧。

 

氣體排放速率（圖3）

 

數據：H?S、NH?、CH?排放↓（最高降幅70%），CO?排放↑（10V組達243.9 μmol·h?1）。

意義：電壓抑制還原性惡臭氣體，促進有機物礦化為CO?。

 

間隙水離子（圖4）

 

數據：SO?2?濃度波動（電壓抑制硫酸鹽還原），NO??濃度在低氧組（M/H）↓（因硝酸鹽還原增強）。

意義：證實電壓改變電子受體競爭（SO?2? vs NO??）。

 

微生物群落（圖5）

 

 

數據：

產甲烷菌（Methanosarcina、Methanolobus）和SRB（Desulfovirga）豐度↓（10V組最低）。

化能異養菌（Dechloromonas、Azospira）豐度↑（圖5b）。

意義：電壓通過提升ORP抑制厭氧菌，促進好氧/兼性菌主導有機物降解。

 

功能預測（圖6）

 

數據：FAPROTAX預測顯示電壓組硫酸鹽還原↓、化能異養↑。

意義：微生物功能轉變驅動污染物降解路徑改變。

 

結論

 

電壓有效性：5V/10V顯著提升底泥ORP（圖2e），抑制H?S/NH?/CH?排放（降幅38–61%），但可能增加水體濁度（圖2h）。

微生物機制：

厭氧菌（SRB、產甲烷菌）受ORP↑抑制（圖5, 圖6）。

化能異養菌（如Dechloromonas）利用有機物產生CO?（圖3d）。

技術瓶頸：陰極析氧受阻導致DO恢復延遲，需優化電極設計。

 

Unisense電極數據的詳細解讀

測量方法與目的

 

技術原理：使用Unisense微電極系統（尖端100μm）直接測量沉積物ORP（ORP-S），空間分辨率達毫米級。

校準：采用標準溶液兩點校準，確保數據可靠性。

關鍵指標：ORP-S（沉積物氧化還原電位），反映底泥氧化性（圖2e）。

 

研究意義

 

精準量化氧化性改善：

ORP-S從-154 mV升至+157 mV（圖2e），直接證明電壓有效提升底泥氧化性，為抑制厭氧過程（硫酸鹽還原、產甲烷）提供核心證據。

揭示微生物響應機制：

ORP-S↑與SRB（Desulfovirga）豐度↓顯著負相關（圖5b），驗證厭氧菌對氧化環境的敏感性。

關聯氣體排放：

ORP-S↑與H?S/NH?/CH?排放↓強相關（圖7a），建立“電壓→ORP↑→厭氧過程抑制→惡臭氣體減少”的因果鏈。

技術優化指導：

ORP-S提升幅度（L組>M/H組）揭示電壓效率閾值，提示2.5V可能為最佳能耗比方案。

 

生態工程價值

 

微尺度監測優勢：克服傳統水質監測無法反映底泥微環境的局限，為黑臭水修復提供原位評估工具。

機制解析關鍵：ORP-S數據直接關聯電化學干預與微生物功能響應，支撐技術優化（如電極布局調整以緩解陰極復氧阻礙）。

 

總結：Unisense電極數據是解析電壓干預機制的核心，通過高精度ORP-S測量，證實電化學技術通過調控沉積物氧化性重構微生物群落，最終驅動污染物降解路徑從厭氧產惡臭氣體轉向好氧礦化。