Light intensity affects the performance of photo microbial fuel cells with Desmodesmus sp. A8 as cathodic microorganism

光的強度影響以橋灣藻科 A8為陰極微生物的光微生物燃料電池的性能

來源：Applied Energy 116 (2014) 86–90

 

1. 論文摘要內容

摘要指出，該研究調查了以橋灣藻（Desmodesmus sp. A8）作為陰極微生物的光微生物燃料電池在不同光強（0, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500 lx）下的性能。結果顯示，光照使光微生物燃料電池的輸出提升了三倍。當光強從0增至1500 lx時，陰極電阻從3152.0 Ω大幅降至136.7 Ω，陽極電阻從13.9 Ω微降至11.3 Ω。同時，陰極電位從-0.44 V升高至-0.33 V (vs. Ag/AgCl)，并在1500 lx至3500 lx范圍內趨于穩定。伴隨電位變化，陰極生物膜內的溶解氧在3500 lx光強下增至13.2 mg L?1，在1500 lx時降至7.5 mg L?1。該工作證明，光強通過改變溶解氧，深刻影響了以Desmodesmus sp. A8構建的光微生物燃料電池的性能。

2. 研究目的

本研究旨在探究光強對以微藻Desmodesmus sp. A8為陰極微生物的光微生物燃料電池性能的影響機制。重點關注光強如何通過影響微藻的光合作用，改變陰極生物膜內的溶解氧濃度，進而影響電池的電化學輸出性能。

3. 研究思路

 

構建系統：構建兩室光微生物燃料電池，陽極接種產電菌，陰極接種Desmodesmus sp. A8微藻，并設置無接種的對照。

性能評估：在陰極形成穩定生物膜后，先驗證光照（開/關）對電池性能的宏觀影響。

變量實驗：系統地將光強設置為1500、2000、2500、3000、3500 lx等多個梯度，并在各光強下運行并測試電池性能。

多參數測量：在不同條件下，同步測量電池的電輸出性能（電壓、功率、電極電位、阻抗）和生物化學參數（生物膜內溶解氧、藻濃度）。

 

關聯分析：將電化學性能數據與溶解氧等生物參數進行關聯分析，揭示光強影響電池性能的內在路徑。

 

4. 測量方面、數據來源及研究意義

 

電壓輸出：測量了電池在恒定外阻下的電壓（圖1， 圖2， 圖4）以及通過極化曲線得到的最大功率密度（圖3， 圖5）。意義：直接量化了電池的發電性能，證明光照和光強增加能顯著提升電壓和功率輸出。

 

 

 

 

 

電極電位：測量了陰極電位和計算了陽極電位（圖2， 圖4， 圖S3）。意義：定位了光強影響的主要位置。數據顯示陰極電位隨光強增加顯著正移，而陽極電位變化很小，表明光強主要通過影響陰極反應來提升電池性能。

電化學阻抗譜：分析了電池的內阻組成，包括歐姆內阻、陽極電阻和陰極電阻（表1）。意義：定量解析了性能提升的瓶頸。數據表明，開啟光照后，陰極電阻急劇下降（從3152.0 Ω降至136.7 Ω），是性能提升的主因，而陽極電阻變化不大。

 

溶解氧濃度：使用微電極測量了陰極生物膜內（200 μm深度）的溶解氧濃度（圖6， 圖S2）。意義：這是連接光強（生物過程輸入）與電化學性能（輸出）的核心橋梁數據。它直接證明了光強增強提高了微藻的光合產氧速率，導致生物膜局部溶解氧升高。

 

微藻濃度與pH：監測了藻液光密度（OD680）和陰極電解液pH。意義：用于確認生物量一致性（控制變量）和評估環境條件（pH會影響氧還原反應的電位）。

 

5. 研究結論

 

Desmodesmus sp. A8 能作為有效的光生物陰極，在光照下顯著提升微生物燃料電池的產電。

光強對電池性能有深遠影響，且主要通過影響陰極起作用（陰極電位變化大，陽極電位變化小）。

陰極生物膜內的溶解氧濃度與光強同步變化，是光強調控電池性能的關鍵中間變量：光強增加 → 光合作用增強 → 生物膜內溶解氧升高 → 陰極氧還原反應驅動力增強、電阻降低 → 電池電壓與功率輸出提升。

 

電池的電壓輸出響應與光強的關系存在“光限制”和“光飽和”階段：在1500 lx至3000 lx間，電壓隨光強增加而上升；達到3000 lx后，輸出進入平臺期。

 

6. 使用丹麥Unisense微電極測量數據的詳細解讀與研究意義

本文中使用丹麥Unisense公司的溶解氧微電極所測得的數據具有關鍵的研究意義：

傳統測量溶解氧的方法通常只能獲得陰極腔體溶液本體（bulk solution）中的平均值，而微生物電化學反應，尤其是涉及生物膜的過程，其反應界面和傳質過程發生在電極-生物膜-溶液三相界面的微米尺度范圍內。溶液本體的溶解氧濃度無法準確反映反應位點（即陰極電極表面生物膜內）的真實環境。

Unisense微電極的尖端直徑極小（可達微米級），能夠原位、無損地穿刺進入陰極生物膜內部（本研究在200 μm深度測量），直接獲取生物膜局部微環境中的溶解氧濃度。這提供了以下不可替代的信息：

 

證實產氧位置與機制：數據直接顯示，在光照下，生物膜內部的溶解氧（從4.3 mg L?1升至7.5 mg L?1，圖S2）遠高于無光條件，隨后隨光強增加繼續上升（在3500 lx達13.2 mg L?1，圖6）。這強有力地證明了性能提升的直接原因是附著在陰極上的微藻在生物膜內進行了光合作用并產生氧氣，而非從溶液本體擴散而來。

建立定量關聯：該數據使得研究者能夠將“光強”這一操作變量，與“生物膜內溶解氧”這一局部狀態變量，再與“陰極電阻”、“陰極電位”、“電池電壓”等電化學性能指標進行精確的定量關聯（如圖4、圖6的同步變化趨勢所示）。沒有微電極的局部測量，這種直接的因果鏈條將難以證實，只能停留在推測層面。

 

深入理解限速步驟：測量顯示，即使在最高光強下，生物膜內的溶解氧也達到了過飽和狀態（13.2 mg L?1），但電池性能在3000 lx后即進入平臺期。這暗示在光飽和階段，性能的限制因素可能從“氧氣供應不足”轉變為生物膜/電極界面上的氧還原反應動力學（如催化活性）或反應產物的積累（如堿性增強、H?O?生成）等因素。微電極數據幫助研究者將“氧氣傳質”因素與“界面反應”因素區分開來，更精準地定位了下一步優化的方向。

 

總結：Unisense微電極提供的生物膜內原位溶解氧數據，是本研究能從機理層面闡明“光強→（光合作用）→生物膜內局部溶解氧→陰極電化學性能”這一核心路徑的關鍵實驗證據。它將宏觀的系統性能與微觀的生物化學過程在空間上連接起來，極大地增強了研究的深度和說服力。