海洋石油的开发带来的经济效益越来越高，但海上轮船的溢油以及石油平台在开采、 加工和运输过程中的泄油给海洋环境造成严重的污染^[1]. 近几年来，国内外均发生了严重的海洋石油污染事件，2010年4月美国石油公司墨西哥湾“深水地平线”钻井平台爆炸，造成美国史上最大的海洋环境污染. 2011年6月中海油康菲油田出现漏油事故，经济损失达数十亿人民币^[2]. 这些石油污染事故对环境、 生物、 水产业均造成了极其严重的生态灾难.

发生溢油后，大量的石油污染物最终沉积在海底中，不仅对底栖生态环境造成严重危害，而且会不断释放到水体中造成水体二次污染^[3]，海洋石油污染的治理是一个急需解决的问题. 目前，国际上通用的治理方法有物理处理法、 化学处理法和生物处理法(生物修复法)这3种^[4]. 其中，生物处理法具有操作简易、 成本低和可以用于处理大面积污染场地而备受关注. 但由于海底为缺氧或厌氧环境^[5]，导致生物降解速率缓慢，生物修复周期较长^[6]. 如何提高海底环境下石油污染物的降解速率，是目前环境修复领域广泛关注的问题.

美国Derek Lovley团队曾对铀污染的地下水进行过生物修复的研究，研究表明微生物能够促进铀的还原^[7]，多种细菌能通过自身的代谢作用发挥这种还原能力^[8]. 该团队也曾对被石油、 菲和萘污染的海洋港口沉积物进行过测试，证明微生物群落在厌氧环境中能够对多环芳烃进行原位氧化，有利于菲和萘的降解，并且多环芳烃的存在提高了微生物的活性^[9]. Wang^[10]等开展过利用MFC降解石油的探究，与自然修复相比，石油烃降解率从(6.9±2.5)%提高到(15.2±0.6)%. Morris等^[11]测得MFC开路状态和断路状态的石油烃降解率分别为24%和2%. 本研究利用海底微生物燃料电池(BMFCs)原理，从电子受体的差异和降解率的提高等方面探究石油污染物对BMFCs性能的影响，以及BMFCs对石油的降解效果. BMFCs的工作原理是：海底沉积层中的细菌不断分解有机污染物(如石油污染物)，产生电子，海泥中置入负极，海水中放置正极，电子通过附着细菌转移到负极上，再经导线转移到正极，正极处于海水中，溶解氧消耗电子生成H₂O，由此形成连续不断的电流^[12]. BMFCs 作为一种新型燃料电池，它将海底沉积层中的有机污染物和无机物的化学能转化为电能，实现原位生物修复的同时促进微生物的代谢，从而加速海底沉积层中石油污染物的降解.

本项目组曾经开展BMFCs对海泥中有机碳的电催化降解作用^[13]，本研究将电化学方法和微生物学方法相结合探究石油污染物对BMFCs性能的影响，以及BMFCs对石油的降解效果. 实验了天然底物(海泥)有原油和无原油两种装置BMFCs的电化学性能，并将有原油装置的通路状态和断路状态进行石油降解率的对比. 石油作为一种海泥底物组分可显著提高BMFCs的电化学性能、 抗极化能力、 电子转移动力学和输出功率，另一方面，在BMFCs的电催化作用下，石油污染物的降解速率显著提高. 本研究结果可为海底石油污染治理提供一种全新的思路. 1 材料与方法 1.1 实验试剂

无水乙醇(分析纯，天津博迪化工股份有限公司)，氨水(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，SZ36-1原油^[14](重质油，中国海洋石油总公司)，碳毡(高纯，青岛高泰新材料有限公司)，碳纤维(粘胶基，青岛远辉复合材料有限公司)，海泥、 海水均取自青岛李村河入海口. 1.2 实验过程 1.2.1 改性阳极制备

据文献报道，N/C含量的增加可以加速电子传递，提高电极性能^[15]. 制作9个30 mm×30 mm×3 mm尺寸的碳毡电极，用无水乙醇超声15 min，再浸泡3 h，之后用去离子水清洗干净，将浸泡过的碳毡放入马弗炉(SX2，龙口市电炉制造厂)，在空气中40 min升温至400℃，保温30 min，之后将灼烧后的碳毡用氨水浸泡10 h，晾干，作为阳极. 1.2.2 普通阴极制备

碳刷具有较大的表面积和孔隙率，阴极材料碳刷以黏胶基碳纤维作原料，由专门的制刷机制造组装而成，碳刷中心为不易腐蚀的钛丝，总重约58 g. 1.2.3 盐桥的制备

准确称取琼脂10 g加入1000 mL KCl饱和溶液中，浸泡5 min，不断搅拌，用电炉加热至糊状，趁热倒入U型管内(无气泡)，冷却即成. 1.2.4 组装BMFCs

由于海泥里的原油容易溢出影响阴极效果，且共用阴极可以排除阴极电位对电池电压的影响，为使实验结果更准确，实验装置设计为共用阴极双室反应器，如图 1所示. 将2000 mL天然海泥倒入A、 B、 C这3个3000 mL烧杯中，其中A和C烧杯分别加入5 g原油，使用数显搅拌机(DSX-120，杭州仪表电机有限公司)搅拌，使原油与海泥混合均匀，倒入800 mL海水，使阳极处于厌氧环境，构成阳极室，每个阳极室插入3个平行阳极(距离烧杯底部5 cm). 将2500 mL海水倒入3000 mL烧杯中，构成阴极室，将制备的阴极固定在阴极室内. 用3个盐桥将3个阳极室与1个阴极室连接起来，分别构成BMFCs-A有油通路系统、 BMFCs-B无油通路系统和BMFCs-C有油断路系统(模拟海底自然条件下的石油降解).

图 1

Fig. 1

图 1 实验装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental set-up

实验前，采用总有机碳分析仪来测定B装置的沉积物中有机碳含量，采用离子选择电极法测定沉积物中硫离子的含量. 在长期放电过程中，每隔16 d用玻璃管分别从A和C装置距离阳极表面1 cm处取样，每个装置取3个平行样，将沉积物于表面皿中自然风干，研磨，准确称取10 g. 通过超声-索氏萃取-重量法^[16]来测定泥样中的含油量，萃取剂为正己烷和二氯甲烷(正己烷 ∶二氯甲烷为1 ∶1)，超声萃取10 min. 根据实验结果求平均值，计算不同装置的含油量.

在长期放电的第64 d，分别从A、 B和C装置阳极表面1 cm处取1 g海泥，每个装置取3个平行样，再分别加入9 mL无菌水，25℃温度下在摇床中以160 r ·min^-1摇匀，将菌悬液逐级稀释后，采用2216E琼脂固体平板法测定异养菌数量^[17]. 根据实验结果求平均值，计算不同装置阳极表面的细菌附着量. 2 结果与讨论 2.1 石油对BMFCs系统电化学性能的影响 2.1.1 阳极电位及极化性能曲线

由图 2和图 3可见，A、 B装置的开路电压分别在第13 d和14 d达到稳定电位-491 mV和-468 mV，稳定的开路电压表明产电菌已稳定附着在电极上^[18]. 由图 2还可以看出，含油系统的阳极电位更低一些，稳定的阳极电位相差23 mV. 实验测得海泥中有机碳和硫离子的背景值分别为70 g ·kg^-1和0.032 μg ·g^-1，而含油系统增加了有机物底物，所以阳极材料表面更易富集产电菌，分解利用石油时产生的电子多，导致电位低. 通过稳态放电法得到如图 3显示的阳极极化曲线，对于BMFCs-B装置，当电流密度由0 mA ·m^-2升高到199 mA ·m^-2时，阳极电位由-468 mV升高到7.5 mV，而对于BMFCs-A装置，当电流密度由0 mA ·m^-2升高到258 mA ·m^-2时，阳极电位由-496 mV升高到-15.5 mV. 说明海泥中原油的存在降低了阳极极化曲线斜率，阳极抗极化能力增强^[19].

图 2

Fig. 2

图 2 不同阳极的电位稳定曲线 Fig. 2 Stable potential of different anodes

图 3

Fig. 3

图 3 不同阳极的极化曲线 Fig. 3 Polarization curves of different anodes

塔菲尔曲线的公式为：η=a+blg|i|，式中，i 为交换电流密度值，η为阳极过电位，a为单位电流密度时的超电势值，通过比较最大交换电流密度的大小，有助于判断电极反应的可逆性或是否容易被极化^[20]. 塔菲尔曲线如图 4所示，经线性拟合得出，BMFCs-A和BMFCs-B阳极的最大交换电流密度分别为1.37×10^-2A ·m^-2和1.50×10^-3A ·m^-2，含油装置的阳极表面最大交换电流密度约是无油装置的9倍，说明石油污染物的存在使BMFCs电荷转移电阻降低、 电子转移动力学活性提高，更易于进行电极反应，电极体系更不容易被极化.

图 4

Fig. 4

图 4 不同阳极的塔菲尔曲线 Fig. 4 Tafel of different anodes

图 5显示了不同装置的电池功率密度曲线，由图可得，在电流密度小于50 mA ·m^-2时，BMFCs-A和BMFCs-B系统的功率密度变化趋势逐渐上升且相差不大，在电流密度大于50 mA ·m^-2时，两装置逐渐出现明显差异. BMFCs-A在电流密度为249.92 mA ·m^-2时达到最大功率密度105.79 mW ·m^-2，此时电池内阻和外阻大小相等^[21]，为908 Ω. BMFCs-B在电流密度为165.12 mA ·m^-2时达到最大功率密度83.6 mW ·m^-2，此时电池内阻为 1830 Ω. 结果表明，相同的改性阳极在有石油存在 的海泥环境中最大输出功率密度是无油环境中的1.27倍，电池内阻降低了一倍. 由图 3可以看出，BMFCs-A装置的扩散内阻和电荷转移内阻降低，导致电池内阻降低，输出功率密度提高，因此，石油污染物的存在提高了海底微生物燃料电池的电池性能.

图 5

Fig. 5

图 5 不同电池的功率密度曲线 Fig. 5 Power density curves of different electrodes

表 1(Table 1)

表 1 不同装置阳极表面异养菌数量 (单位质量异养菌数量比较)×107/CFU ·g-1 Table 1 Comparison of heterotrophic bacteria number of different devices(heterotrophic bacteria number)×107/CFU ·g-1 BMFCs-A1 BMFCs-A2 BMFCs-A3 BMFCs-B1 BMFCs-B2 BMFCs-B3 BMFCs-C1 BMFCs-C2 BMFCs-C3 67 62 69 48 43 47 8 5 9

表 1 不同装置阳极表面异养菌数量 (单位质量异养菌数量比较)×107/CFU ·g-1 Table 1 Comparison of heterotrophic bacteria number of different devices(heterotrophic bacteria number)×107/CFU ·g-1

图 6为长期放电时不同装置的含油量曲线，结果表明：BMFCs-A(通路装置)和自然条件下BMFCs-C(断路装置)的海泥中石油污染物的最初含量分别是(15.40±0.08) g ·kg^-1和(15.0±0.09)g ·kg^-1. 在长期放电的第64 d，BMFCs-A和BMFCs-C的含油量分别在最初的基础上下降了(28.62±1.25)%和(1.53±0.52)%，使海泥中的含油量达到(11.0±0.25) g ·kg^-1和(14.77±0.01)g ·kg^-1，BMFCs的石油降解率是自然条件下的18.7倍. 分析海底微生物燃料电池提高石油降解率的原因在于BMFCs对石油污染物中部分细菌有电催化作用，这种电催化作用能够加速细菌“搬运”电子的能力，而且阳极表面的细菌主要靠消耗石油污染物中的有机碳来产生电子，从而加速海底石油污染物的降解，提高降解率^[13]. 另外，异养菌数量和石油降解率之间的相关性非常明显，相关性为0.989，异养菌数量越多越有利于石油污染物的降解^[22]. 细菌降解石油产生的电子、 质子分别被BMFCs消耗掉，从而加速了细菌的生命代谢，促进了石油污染物的降解，使得BMFCs系统的石油降解量比自然条件下的降解量高.

图 6

Fig. 6

图 6 不同装置含油量曲线 Fig. 6 Oil content of different devices

石油含有饱和烃、 芳香烃、 胶质和沥青等成分，自然状态下，微生物利用各种开环酶、 加氧酶、 降解酶等通过酶促反应^[23]将石油污染物中部分难降解的大分子转变为易分解的脂肪酸、 醛酮、 芳香族化合物、 氨基酸^[24]等，再经过微生物的新陈代谢作用将其氧化为CO₂和H₂O. 而在BMFCs存在的环境中，多种细菌协同作用，石油烃降解菌将石油降解为小分子有机物，而后由产电菌代谢产电. 阳极表面的微生物通过对小分子有机物的氧化作用产生CO₂、 质子和电子，电子经外电路传递到阴极，质子通过海底沉积层/海水界面扩散到阴极，在阴极表面与质子、 O₂结合，生成H₂O. Ding 等^[25]认为石油污染物氧化过程所需电子受体的种类会影响石油降解的速度，在自然状态海底厌氧环境中，最终电子受体主要是硫酸盐、 硝酸盐和有机物分解的中间产物等. 在本研究的BMFCs系统中，基于产电呼吸的MFC工作原理^[26]，电子受体是电极，在整个通路装置的运行中，阴极源源不断消耗电子，促进了阳极附近微生物的新陈代谢作用； 另外，阳极材料经氨水处理过，降低了反应过程的活化能. 同时，阳极表面细菌数量增多，加速了电子传递速度，进一步加速石油污染物的降解. 综上，本研究提出一种BMFCs加速海底石油污染物降解的模式图，如图 7.

图 7

Fig. 7

(a)石油降解模式； (b)BMFCs降解石油模式 图 7 自然状态下石油降解模式和BMFCs降解石油模式 Fig. 7 Oil degradation model under natural state and the oil degradation model with BMFCs

本研究利用海底微生物燃料电池的原理，石油污染物作为BMFCs的燃料，既能提高电池的产电能力，又能加速石油污染物的降解. 含油通路装置的阳极最大交换电流密度和电池最大输出功率密度分别是无油通路装置的10倍和1.27倍，其石油降解率和阳极表面异养菌数量分别是自然条件下的18.7倍和9倍. 石油污染物作为BMFCs的一种底物为微生物的新陈代谢提供了丰富的“养料”，细菌数目增多，产生的电子增多，同时以改性阳极和电池阴极作为石油污染物氧化过程所需电子受体，提高了BMFCs的电化学性能，进而加速石油的降解. 本研究结果可为通过海底微生物燃料电池在海底石油污染物强化修复中的应用提供基础.