Effect of starch-derived organic acids on the removal of polycyclic aromatic hydrocarbons in an aquaculture-sediment microbial fuel cell  

淀粉衍生有機(jī)酸對(duì)水產(chǎn)沉積物微生物燃料電池中多環(huán)芳烴去除的影響  

來(lái)源：Journal of Environmental Management, Volume 311, 2022, 114783  

《環(huán)境管理雜志》第311卷，2022年，文章編號(hào)114783  

 

摘要內(nèi)容

本研究構(gòu)建沉積物微生物燃料電池（SMFC）用于處理受多環(huán)芳烴（PAHs）污染的水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物。以沉積物中天然存在的淀粉為共基質(zhì)，評(píng)估淀粉衍生有機(jī)酸對(duì)SMFC電化學(xué)性能和PAHs去除的影響。結(jié)果表明：適量淀粉（5–10 mg/g）通過(guò)促進(jìn)電化學(xué)活性菌（如Macellibacteroides）富集，顯著提升PAHs去除率（萘69.9%、苊55.6%、芘46.8%）和輸出電壓（峰值478 mV）；過(guò)量淀粉（≥20 mg/g）導(dǎo)致有機(jī)酸積累，降低陽(yáng)極pH（<5.5），減少物種多樣性，抑制SMFC性能。電性能與PAHs去除率顯著正相關(guān)（R>0.96）。但放大至單室SMFC裝置后，因陽(yáng)極“有效范圍”受限，PAHs去除率未達(dá)預(yù)期。  

 

研究目的  

探究淀粉作為共基質(zhì)對(duì)SMFC系統(tǒng)的影響機(jī)制，量化淀粉衍生有機(jī)酸對(duì)PAHs去除效率和電化學(xué)性能的作用，評(píng)估SMFC技術(shù)在水產(chǎn)沉積物修復(fù)中的應(yīng)用潛力。  

 

研究思路  

雙室SMFC小試：設(shè)置梯度淀粉濃度組（0、5、10、20、40 mg/g），對(duì)比PAHs去除率（萘、苊、芘）、電壓輸出、有機(jī)酸積累及微生物群落變化。  

 

機(jī)制解析：通過(guò)pH監(jiān)測(cè)、有機(jī)酸分析及微生物測(cè)序，闡明淀粉衍生有機(jī)酸對(duì)陽(yáng)極微環(huán)境的影響路徑。  

 

放大驗(yàn)證：基于小試最優(yōu)條件（10 mg/g淀粉），構(gòu)建15L單室SMFC裝置，評(píng)估實(shí)際應(yīng)用可行性。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源及意義  

 

3.1 PAHs去除率（圖1、圖9）  

來(lái)源：圖1（雙室SMFC中三種PAHs動(dòng)態(tài)去除曲線）、圖9a（單室裝置PAHs去除率）  

 

 

意義：直接量化SMFC修復(fù)效果。數(shù)據(jù)表明：淀粉濃度通過(guò)改變微生物活性和陽(yáng)極環(huán)境調(diào)控PAHs降解速率，其中低分子量PAHs（萘）更易去除。  

 

3.2 電化學(xué)性能（圖2–4）  

來(lái)源：圖2（輸出電壓動(dòng)態(tài)曲線）、圖3（極化曲線與功率密度）、圖4（循環(huán)伏安曲線）  

 

 

 

 

意義：揭示系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率。適量淀粉提升峰值電壓至478 mV（圖2），降低內(nèi)阻至719–733 Ω（圖3），增強(qiáng)電子轉(zhuǎn)移能力（圖4氧化峰電流64.2 mA）；過(guò)量淀粉削弱電活性菌功能，導(dǎo)致性能衰減。  

 

3.3 陽(yáng)極微環(huán)境參數(shù)（圖5–6）  

來(lái)源：圖5（pH動(dòng)態(tài)變化）、圖6（乙酸/丙酸/丁酸積累量）  

 

 

意義：闡明淀粉代謝路徑的影響。有機(jī)酸積累（圖6）與pH下降（圖5）顯著相關(guān)（P<0.01），證實(shí)過(guò)量淀粉通過(guò)酸化環(huán)境（pH<5.5）抑制電活性菌（如Proteobacteria）。  

 

3.4 微生物群落（圖7–8）  

來(lái)源：圖7（門/屬水平群落組成）、圖8（冗余分析）  

 

 

意義：解析生物機(jī)制。Bacteroidetes門（尤其Macellibacteroides屬）與PAHs去除和電輸出正相關(guān)（R>0.96），其豐度在適量淀粉組達(dá)26.9%（圖7b）；過(guò)量淀粉使Firmicutes成為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌（92.4%），破壞功能菌群平衡（圖8）。  

 

結(jié)論  

 

4.1 適量淀粉（5–10 mg/g）通過(guò)提供碳源和維持中性pH，促進(jìn)電活性菌（如Macellibacteroides）生長(zhǎng)，同步提升PAHs降解（萘>苊>芘）和電性能（內(nèi)阻降低23%）。  

4.2 過(guò)量淀粉（≥20 mg/g）誘導(dǎo)有機(jī)酸積累（VFAs>20 mg/g），導(dǎo)致陽(yáng)極酸化（pH<5.5），抑制Proteobacteria等電活性菌，降低物種多樣性（Shannon指數(shù)由6.29降至4.80）。  

4.3 單室放大裝置因陽(yáng)極“有效范圍”受限及物質(zhì)擴(kuò)散障礙，PAHs去除率僅為小試的50%（圖9），需優(yōu)化電極布局以提升實(shí)用性。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義  

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（pH-NP探頭，分辨率0.3 μM）測(cè)量的pH數(shù)據(jù)（圖5）是揭示有機(jī)酸抑制機(jī)制的關(guān)鍵：  

微尺度精度：50 μm尖端直徑可穿透沉積物微區(qū)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)淀粉發(fā)酵導(dǎo)致的局部酸化（如M-40組pH降至4.68），避免整體取樣誤差。  

 

過(guò)程關(guān)聯(lián)：動(dòng)態(tài)pH曲線與有機(jī)酸積累（圖6）及電壓輸出（圖2）同步分析，證實(shí)酸化是性能衰減的直接誘因——當(dāng)pH<5.5時(shí)，電活性菌豐度下降>80%（圖7a），內(nèi)阻增加40%（圖3）。  

 

生態(tài)閾值：明確pH=5.5為系統(tǒng)性能拐點(diǎn)，為SMFC運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化提供臨界值依據(jù)。  

 

應(yīng)用指導(dǎo)：酸化預(yù)警可指導(dǎo)淀粉投加策略，避免過(guò)度發(fā)酵導(dǎo)致的微環(huán)境失衡。