Anodic potentials, electricity generation and bacterial community as affected by plant roots in sediment microbial fuel cell: Effects of anode locations

沉積物微生物燃料電池中植物根系對(duì)陽(yáng)極電位、發(fā)電量和細(xì)菌群落的影響陽(yáng)極位置的影響

來(lái)源：Chemosphere 209 (2018) 739-747

 

一、摘要核心內(nèi)容

摘要指出，植物沉積物微生物燃料電池（PSMFC）是一種兼具能源回收和污染修復(fù)潛力的技術(shù)。本研究通過(guò)設(shè)置不同陽(yáng)極位置（淺、中、深），探究植物根系（菖蒲）對(duì)沉積物氧分布、發(fā)電性能及陽(yáng)極細(xì)菌群落的影響。研究發(fā)現(xiàn)，根系釋放的氧氣會(huì)提高陽(yáng)極周?chē)难趸€原電位，導(dǎo)致好氧細(xì)菌與電化學(xué)活性細(xì)菌（EAB）競(jìng)爭(zhēng)底物，從而抑制發(fā)電。最優(yōu)策略是將陽(yáng)極置于根系下方適當(dāng)距離，以利用根系分泌物同時(shí)避免氧氣負(fù)面影響。

二、研究目的

 

明確植物根系釋放的氧氣對(duì)PSMFC性能的影響機(jī)制；

優(yōu)化陽(yáng)極相對(duì)于根系的位置，以平衡氧氣抑制效應(yīng)和根系分泌物的促進(jìn)作用；

 

分析不同陽(yáng)極深度下微生物群落結(jié)構(gòu)的差異，揭示根系與EAB的相互作用。

 

三、研究思路

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：構(gòu)建三種陽(yáng)極深度的PSMFC（淺層S-PSMFC、中層M-PSMFC、深層D-PSMFC）及無(wú)植物對(duì)照（SMFC），均設(shè)置閉路和開(kāi)路控制組。

關(guān)鍵變量控制：陽(yáng)極位置（距水-沉積物界面2.0 cm、5.0 cm、7.5 cm）、植物根系分布、光照周期（8小時(shí)光照/16小時(shí)黑暗）。

 

數(shù)據(jù)采集：監(jiān)測(cè)電壓、氧氣濃度剖面、陽(yáng)極電位、微生物群落結(jié)構(gòu)，并通過(guò)極化曲線(xiàn)計(jì)算內(nèi)阻和功率密度。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

1. 電壓與發(fā)電性能（數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2B、圖4）

 

 

深層陽(yáng)極（D-PSMFC）：電壓穩(wěn)定且高于無(wú)植物系統(tǒng)（D-SMFC），說(shuō)明深層陽(yáng)極可利用根系分泌物且避免氧氣抑制。

中層陽(yáng)極（M-PSMFC）：初期電壓高，但隨根系生長(zhǎng)侵入陽(yáng)極后電壓下降，因氧氣直接接觸陽(yáng)極競(jìng)爭(zhēng)底物。

 

意義：證明陽(yáng)極位置對(duì)發(fā)電效率的關(guān)鍵影響，深層布局可優(yōu)化能源輸出。

 

2. 氧氣剖面數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)源：圖3）

 

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量沉積物中氧氣濃度分布：

 

D-PSMFC：陽(yáng)極區(qū)域氧氣濃度極低（0.23–0.77 μmol/L），但根系下方（-5.0至-7.0 cm）存在氧氣釋放層（最高10.8 μmol/L）。

M-PSMFC：陽(yáng)極表面氧氣濃度高達(dá)26.5 μmol/L，形成好氧/厭氧共存微環(huán)境。

研究意義：

 

揭示了根系氧氣釋放的空間分布規(guī)律，闡明其對(duì)陽(yáng)極電位的抬升作用；

解釋了晝夜發(fā)電節(jié)律（黑暗期電壓更高）源于夜間根系氧釋放減少，降低陽(yáng)極電位；

 

表明氧氣層可能促進(jìn)高分子有機(jī)物分解為EAB可利用的小分子，但需與陽(yáng)極保持距離。

 

3. 微生物群落結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)來(lái)源：圖5、圖6及附表）

 

 

D-PSMFC：富集Betaproteobacteria（好氧/兼性菌），EAB相對(duì)豐度較高。

M-PSMFC：Deltaproteobacteria（含EAB如Geobacter）和好氧菌（如Pseudomonas）共存，證實(shí)氧氣導(dǎo)致菌群競(jìng)爭(zhēng)。

 

意義：根系氧氣直接塑造陽(yáng)極生物膜組成，好氧菌競(jìng)爭(zhēng)底物是抑制發(fā)電的重要原因。

 

4. 腐爛根系的影響（數(shù)據(jù)來(lái)源：表1）

 

部分反應(yīng)器（D-PSMFC3、M-PSMFC3）因根系腐爛導(dǎo)致電壓驟升（最高200 mV），COD和UV254值翻倍。

 

意義：腐爛根系釋放大量小分子有機(jī)物，可臨時(shí)提升發(fā)電量，但需避免過(guò)度腐爛導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

 

五、研究結(jié)論

 

陽(yáng)極位置決定PSMFC性能：根系直接接觸陽(yáng)極（如M-PSMFC）會(huì)因氧氣抑制而降低發(fā)電效率；深層陽(yáng)極（D-PSMFC）能最大化利用根系分泌物且規(guī)避氧氣負(fù)面影響。

氧氣釋放主導(dǎo)晝夜節(jié)律：黑暗期氧氣減少導(dǎo)致陽(yáng)極電位降低，發(fā)電量升高，顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)為光照期分泌物增多促發(fā)電的觀(guān)點(diǎn)。

微生物群落協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)：根系氧氣導(dǎo)致好氧菌與EAB共存，合理布局陽(yáng)極可優(yōu)化EAB優(yōu)勢(shì)。

 

技術(shù)優(yōu)化建議：陽(yáng)極應(yīng)置于根系下方一定距離，以平衡有機(jī)物利用和氧氣抑制效應(yīng)。

 

六、Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

丹麥Unisense微電極測(cè)量的氧氣剖面數(shù)據(jù)是本研究的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)，其研究意義包括：

 

定量化氧氣分布：首次在PSMFC中精確刻畫(huà)根系氧氣釋放的三維范圍（約2 cm厚度），發(fā)現(xiàn)氧氣濃度峰值位置與根系尖端分布一致（如M-PSMFC陽(yáng)極表面達(dá)26.5 μmol/L）。

揭示機(jī)制矛盾：傳統(tǒng)研究強(qiáng)調(diào)根系分泌物促進(jìn)發(fā)電，但本數(shù)據(jù)表明氧氣釋放才是主導(dǎo)因素——高氧環(huán)境抬高陽(yáng)極電位，阻礙EAB電子傳遞。

解釋晝夜節(jié)律：晝夜氧氣濃度波動(dòng)（光照期氧釋放增多）直接導(dǎo)致陽(yáng)極電位變化，說(shuō)明PSMFC的發(fā)電節(jié)律由氧氣動(dòng)態(tài)而非分泌物總量控制。

 

指導(dǎo)陽(yáng)極設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)表明陽(yáng)極需避開(kāi)氧氣釋放層（如D-PSMFC布局），為未來(lái)PSMFC的電極定位提供理論依據(jù)。

 

綜上，本研究通過(guò)多維度數(shù)據(jù)證明了陽(yáng)極位置與根系氧分布的相互作用對(duì)PSMFC性能的決定性影響，為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要理論與實(shí)踐指導(dǎo)。