Insight into a single-chamber air-cathode microbial fuel cell for nitrate removal and ecological roles  

單室空氣陰極微生物燃料電池脫氮性能及生態(tài)作用的深入解析  

來(lái)源：Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Volume 12, 2024, Article 1397294

《生物工程與生物技術(shù)前沿》期刊2024年第12卷，文章編號(hào)1397294  

 

摘要內(nèi)容：  

該研究構(gòu)建了可拆卸模塊化設(shè)計(jì)的單室空氣陰極反硝化微生物燃料電池（DNMFC），探究了其對(duì)硝酸鹽的去除效率及功能微生物的生態(tài)作用。研究發(fā)現(xiàn)：在COD/NO??-N=7時(shí)，56.6%的COD用于異養(yǎng)反硝化，庫(kù)侖效率從38.0%降至16.5%；生物反硝化去除92.3%的硝酸鹽，剩余部分通過(guò)陰極電化學(xué)反硝化去除。硝酸鹽作為電子受體消耗16.7%的電子，其余電子被氧氣接受。微生物群落分析表明：兼具電活性和反硝化能力的雙功能菌（如假單胞菌）分布于整個(gè)反應(yīng)器，主導(dǎo)脫氮與電子傳遞；電活性菌主要富集于陽(yáng)極生物膜，厭氧反硝化菌附著于反應(yīng)器壁，兼性厭氧反硝化菌分布于器壁和陰極。  

 

研究目的：  

量化DNMFC中營(yíng)養(yǎng)物（COD、硝酸鹽）分布與電子傳遞路徑。  

 

闡明功能微生物（反硝化菌、電活性菌、雙功能菌）的空間分布與生態(tài)貢獻(xiàn)。  

 

為含氮廢水高效處理提供理論依據(jù)。  

 

研究思路：  

反應(yīng)器設(shè)計(jì)：構(gòu)建可拆卸單室DNMFC（工作體積30 mL），碳布陽(yáng)極/Pt-C陰極（圖1）。  

 

運(yùn)行與測(cè)試：  

 

對(duì)比處理含NH??/NO??廢水，分析電壓、COD去除、脫氮效率（圖2）。  

 

量化不同COD/NO??-N比（7~3）下電子分配：庫(kù)侖效率（CE）、電子轉(zhuǎn)移效率（ETE）。  

 

拆解模塊分析雙室系統(tǒng)（DC-DNMFC）的脫氮路徑（圖3）。  

微生物分析：  

 

SEM/CLSM觀察生物膜形態(tài)。  

 

16S rDNA測(cè)序分析電極/器壁生物膜的群落結(jié)構(gòu)（圖4）。  

 

溶解氧監(jiān)測(cè)：使用丹麥Unisense微電極測(cè)量陰陽(yáng)極室溶解氧（DO）。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

電化學(xué)性能數(shù)據(jù)：電壓輸出、極化曲線、功率密度（圖2A-F）。意義：量化DNMFC的產(chǎn)電穩(wěn)定性（最大功率密度58.2 W/m3）及硝酸鹽對(duì)循環(huán)時(shí)間的縮短效應(yīng)（含NO??時(shí)循環(huán)時(shí)間縮短50%）。來(lái)源圖2。  

 

營(yíng)養(yǎng)物分布數(shù)據(jù)：  

 

COD消耗：56.6%用于異養(yǎng)反硝化，43.4%用于產(chǎn)電（圖3D）。  

 

NO??去除：92.3%通過(guò)生物反硝化，7.7%通過(guò)電化學(xué)還原（圖3A）。  

 

   意義：首次量化DNMFC中電子受體競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系（O?占電子消耗83.3%，NO??占16.7%）。來(lái)源圖3。  

微生物群落數(shù)據(jù)：  

 

陽(yáng)極生物膜：固氮弓菌屬（Azonexus，33.1%）主導(dǎo)（圖4C）。  

 

陰極生物膜：假單胞菌（Pseudomonas，49.6%）主導(dǎo)（圖4C）。  

 

器壁生物膜：反硝化菌（Azonexus）富集。  

 

   意義：揭示空間分布規(guī)律——雙功能菌全域分布，厭氧菌受限陽(yáng)極區(qū)，兼性菌擴(kuò)散至陰極。來(lái)源圖4、圖5。  

 

溶解氧數(shù)據(jù)：Unisense微電極測(cè)得陽(yáng)極室DO<0.1 mg/L，陰極室DO=1.8 mg/L。意義：解釋硝化缺失原因，驗(yàn)證陰極微好氧環(huán)境促進(jìn)假單胞菌富集。來(lái)源文本2.3節(jié)。  

 

結(jié)論：  

脫氮路徑創(chuàng)新：DNMFC以異養(yǎng)反硝化為主（92.3% NO??去除），電化學(xué)還原為輔（7.7%）；氧氣是主要電子受體（消耗83.3%電子），硝酸鹽僅消耗16.7%。  

 

微生物分工機(jī)制：  

 

雙功能菌（假單胞菌）：全域分布，同步執(zhí)行脫氮與電子傳遞。  

 

厭氧反硝化菌（固氮弓菌屬）：富集陽(yáng)極區(qū)，依賴(lài)嚴(yán)格厭氧環(huán)境。  

 

兼性反硝化菌：擴(kuò)散至器壁/陰極，利用微好氧條件。  

應(yīng)用潛力：DNMFC在COD/NO??-N≥4時(shí)脫氮效率接近理論值（需C/N=3.5），且污泥產(chǎn)量低，適合低碳氮比廢水處理。  

 

詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)的研究意義：  

丹麥Unisense微電極（Clark型溶解氧傳感器）用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)陰陽(yáng)極室溶解氧（DO）濃度：  

驗(yàn)證反應(yīng)器微環(huán)境：  

 

測(cè)得陽(yáng)極室DO<0.1 mg/L（嚴(yán)格厭氧），解釋硝化缺失原因（硝化菌需好氧條件）。  

 

陰極室DO=1.8 mg/L（微好氧），支撐假單胞菌（兼性厭氧）富集現(xiàn)象（圖4C）。  

量化氧滲透效應(yīng)：  

 

關(guān)閉空氣供應(yīng)時(shí)，陰極DO驟降（圖3C），電壓下跌85%（400mV→60mV），直接證明氧還原反應(yīng)（ORR）主導(dǎo)電子傳遞。  

 

計(jì)算得出：ORR貢獻(xiàn)83.3%電子消耗，為硝酸鹽競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。  

指導(dǎo)生物膜設(shè)計(jì)：低DO梯度（陽(yáng)極0.1 → 陰極1.8 mg/L）促進(jìn)功能微生物分區(qū)定植，優(yōu)化脫氮/產(chǎn)電協(xié)同效率。