Comprehensive performance, bacterial community structure of single-chamber microbial fuel cell affected by COD/N ratio and physiological stratifications in cathode biofilm  

COD/N比及陰極生物膜生理分層對(duì)單室微生物燃料電池綜合性能和菌群結(jié)構(gòu)的影響  

來源：Bioresource Technology, Volume 320, 2021, Article 124416  

《生物資源技術(shù)》第320卷，2021年，文章編號(hào)124416  

 

摘要內(nèi)容：  

摘要闡述了單室微生物燃料電池（MFC）處理不同COD/N比（16:1至2:1）含銨廢水的性能差異。研究發(fā)現(xiàn)：低COD/N比（如2:1）提升NH??去除率（71.9 mg/L）和最大功率密度（1232 mW/m2），但縮短產(chǎn)電周期并導(dǎo)致COD殘留（98.5 mg/L）；高COD/N比（如16:1）實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的COD去除（殘留28.95 mg/L）。陽(yáng)極菌群以Geobacter為主（占比~65%）且不受COD/N影響，陰極菌群結(jié)構(gòu)則隨COD/N降低顯著變化，反硝化菌Lentimicrobium豐度升至14.93%。通過Unisense pH微電極和FISH技術(shù)，首次揭示陰極生物膜內(nèi)反硝化菌豐度隨深度增加衰減60%，深層區(qū)域（>200μm）因OH?積累形成高pH（7.3）微環(huán)境。  

 

研究目的：  

1. 比較不同COD/N比廢水對(duì)單室MFC污染物去除（NH??、TIN、COD）及電化學(xué)性能的影響  

2. 解析COD/N比變化對(duì)陽(yáng)極/陰極菌群結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制  

3. 探究陰極生物膜內(nèi)pH梯度及硝化/反硝化菌的空間分布規(guī)律  

 

研究思路：  

1. 構(gòu)建5組預(yù)富集硝化菌的單室MFC（R1-R5），分別處理COD/N比為∞（無NH??）、16:1、8:1、4:1、2:1的廢水  

2. 監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期運(yùn)行中的輸出電壓（圖1A）、功率密度（圖1B）及污染物去除動(dòng)態(tài)（圖2-4）  

 

 

 

 

 

3. 高通量測(cè)序分析陽(yáng)極/陰極菌群結(jié)構(gòu)（圖5，表1）  

 

 

4. 采用Unisense pH微電極測(cè)量陰極生物膜pH剖面（圖6F）  

 

 

 

 

5. FISH技術(shù)定量硝化菌（FAM標(biāo)記）和反硝化菌（Cy3標(biāo)記）在生物膜深度的分布（圖6A-E）  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)、來源及研究意義：  

1. 電化學(xué)性能（圖1B）  

   ? 數(shù)據(jù)：R5（COD/N=2:1）最大功率密度1232.54 mW/m2（較R1提升56%），內(nèi)阻降至95.85 Ω  

 

   ? 來源：圖1B（功率密度曲線）  

 

   ? 意義：證實(shí)NH??通過降低系統(tǒng)內(nèi)阻（質(zhì)子消耗、導(dǎo)電性增強(qiáng)）顯著提升電化學(xué)性能  

 

2. 污染物去除（圖2-4）  

   ? 數(shù)據(jù)：R5的NH??平均去除量71.9 mg/L（R2僅42.3 mg/L），但COD殘留98.5 mg/L；極化實(shí)驗(yàn)后氮去除需7-13批次恢復(fù)  

 

   ? 來源：圖2（NH??/TIN去除）、圖3（COD去除）、圖4（出水pH）  

 

   ? 意義：揭示低COD/N比系統(tǒng)因碳源不足導(dǎo)致反硝化不徹底（NO??積累），且恢復(fù)周期隨NH??濃度增加延長(zhǎng)  

 

3. 菌群結(jié)構(gòu)（圖5，表1）  

   ? 數(shù)據(jù)：陽(yáng)極Geobacter占比穩(wěn)定~65%；陰極R5中反硝化菌Lentimicrobium豐度達(dá)14.93%（R1僅0.37%）  

 

   ? 來源：圖5B（屬水平群落）、表1（Chao1/Shannon指數(shù)）  

 

   ? 意義：表明陽(yáng)極菌群抗COD/N擾動(dòng)，陰極菌群敏感且低COD/N比促進(jìn)反硝化菌富集  

 

4. 反應(yīng)時(shí)序（圖1A, 2）  

   ? 數(shù)據(jù)：?jiǎn)闻蝺?nèi)電子傳遞（0-6h）→硝化（6-30h）→反硝化（>30h）順序進(jìn)行  

 

   ? 來源：圖1A（電壓曲線）、圖2（NH??去除動(dòng)態(tài)）  

 

   ? 意義：解釋高COD殘留機(jī)制（反硝化與產(chǎn)電競(jìng)爭(zhēng)碳源）  

 

結(jié)論：  

1. 性能權(quán)衡：低COD/N比（2:1）提升NH??去除率和功率密度，但犧牲COD去除率及系統(tǒng)穩(wěn)定性  

2. 菌群響應(yīng)：陽(yáng)極Geobacter不受COD/N影響；陰極反硝化菌（Lentimicrobium）在低COD/N比富集  

3. 生物膜分層：陰極膜深層（>200μm）高pH（7.3）抑制反硝化菌，形成硝化菌優(yōu)勢(shì)區(qū)  

4. 工程啟示：高COD/N比廢水（如16:1）更適合單室MFC處理以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定COD去除  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

1. pH微電極原位剖面（圖6F）  

   ? 技術(shù)：Unisense pH微電極（50μm步進(jìn)）穿透R3陰極生物膜  

 

   ? 發(fā)現(xiàn)：  

 

     ? 0-200μm深度：pH從7.3降至7.05（反硝化產(chǎn)酸主導(dǎo)）  

 

     ? 200-500μm深度：pH回升至7.3（OH?積累區(qū)）  

 

     ? >500μm深度：pH再度下降（硝化菌耗堿）  

 

   ? 意義：首次揭示陰極膜內(nèi)非線性pH梯度，證實(shí)質(zhì)量傳遞阻力導(dǎo)致深層OH?積累，直接解釋反硝化菌衰減機(jī)制  

 

2. 與FISH數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（圖6C-E）  

   ? 數(shù)據(jù)：R3陰極膜0-1000μm深度Cy3（反硝化菌）強(qiáng)度從65.45降至43.01  

 

   ? 關(guān)聯(lián)：pH>7.2區(qū)域（>200μm）對(duì)應(yīng)反硝化菌豐度下降35%  

 

   ? 意義：建立pH-菌群分布定量關(guān)系，推翻"嚴(yán)格分層"假說，證實(shí)硝化/反硝化菌全深度共存  

 

3. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)  

   ? 高空間分辨率（50μm）捕捉生物膜微環(huán)境異質(zhì)性  

 

   ? 避免傳統(tǒng)破壞性取樣誤差，為生物膜調(diào)控提供原位依據(jù)