Anode biofilm influence on the toxic response of microbial fuel cells under different operating conditions  

不同操作條件下陽極生物膜對微生物燃料電池毒性響應(yīng)的影響  

來源：Science of the Total Environment, 775 (2021) 145048

《整體環(huán)境科學(xué)》第775卷 2021年 文章編號145048

 

摘要內(nèi)容：  

研究揭示了微生物燃料電池（MFC）的毒性響應(yīng)受陽極生物膜特性（如結(jié)構(gòu)、微生物群落）的顯著影響，并通過調(diào)控流速（0.5–5 mL/min）和培養(yǎng)時間（7–90天）探究其機制。結(jié)果表明：  

1. 流速影響：2 mL/min流速下毒性響應(yīng)最快（抑制率45.1%±5.3%），因生物膜薄且均勻（圖4c），Geobacter豐度高（57%），氧化還原電位（ORP）變化顯著（-159.2 mV→-269.9 mV）（圖4a）。  

 

2. 培養(yǎng)時間影響：7天培養(yǎng)的MFC響應(yīng)最敏感（抑制率45.1%），90天后響應(yīng)延遲（抑制率降至23.2%）因生物膜增厚（圖4h）及產(chǎn)甲烷菌增多（表2）。  

 

3. 核心機制：Unisense微電極證實生物膜內(nèi)ORP梯度與電子傳遞效率直接相關(guān)（圖4a,e），EPS組分（蛋白質(zhì)/多糖比）影響毒素擴散速率（圖5）。  

 

研究目的：  

1. 揭示流速與培養(yǎng)時間對MFC毒性響應(yīng)靈敏度的影響機制  

2. 明確陽極生物膜特性（微生物群落、ORP梯度、EPS）與毒性響應(yīng)的關(guān)聯(lián)  

3. 優(yōu)化MFC生物傳感器操作參數(shù)以提升實際應(yīng)用性能  

 

研究思路：  

1. 實驗設(shè)計：構(gòu)建雙室MFC，對比不同流速（0.5/2/5 mL/min）和培養(yǎng)時間（7/45/90天）下的毒性響應(yīng)（以2,4-二氯苯酚為模型毒物）。  

2. 多參數(shù)監(jiān)測：  

   ? 電化學(xué)性能：電壓抑制率（圖1a-c）、功率密度（圖2a-b）  

 

 

   ? 生物膜特性：微生物群落（圖2c、表2）、ORP微剖面（Unisense電極，圖4a,e）、EPS組分（蛋白質(zhì)/多糖/DNA，圖5）  

 

   ? 形貌分析：CLSM生物膜成像（圖4b-d,f-h）  

 

3. 機制驗證：關(guān)聯(lián)ORP梯度變化與Geobacter豐度（圖4a vs 表2），闡明EPS對毒素擴散的屏障效應(yīng)（圖5）。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義：  

1. 電壓抑制率（圖1c）  

   ? 數(shù)據(jù)：2 mL/min流速下抑制率最高（45.1%±5.3%），0.5 mL/min時僅8.4%±1.6%  

 

   ? 意義：證實中等流速（2 mL/min）優(yōu)化基質(zhì)傳遞與生物膜結(jié)構(gòu)，提升響應(yīng)靈敏度  

 

2. 功率密度（圖2a-b）  

   ? 數(shù)據(jù)：2 mL/min時功率密度達1137.0±65.5 mW/m2，90天降至950.8±125.1 mW/m2  

 

   ? 意義：高功率密度對應(yīng)高效電子傳遞，與Geobacter豐度正相關(guān)（表2）  

 

3. 微生物群落（圖2c, 表2）  

   ? 數(shù)據(jù)：2 mL/min時Geobacter相對豐度57%（0.5 mL/min時為50%），90天時降至36%  

 

   ? 意義：Geobacter主導(dǎo)直接電子傳遞，其豐度決定毒性響應(yīng)速度；產(chǎn)甲烷菌（Methanosarcina）增殖（90天達53%）降低靈敏度  

 

4. ORP微剖面（圖4a,e）  

   ? 數(shù)據(jù)：2 mL/min時200μm生物膜內(nèi)ORP降幅達110 mV（-159.2→-269.9 mV），90天時僅19.1 mV  

 

   ? 意義：ORP梯度反映生物膜內(nèi)電子傳遞活性，陡峭梯度（7天）對應(yīng)快速響應(yīng)  

 

5. EPS組分（圖5）  

   ? 數(shù)據(jù)：7天培養(yǎng)時蛋白質(zhì)/多糖比1.4（90天降至1.2），多糖含量最低（45.4 mg/g）  

 

   ? 意義：低多糖含量減少毒素擴散屏障，高蛋白比例增強電子傳遞  

 

結(jié)論：  

1. 最佳操作參數(shù)：流速2 mL/min + 7天培養(yǎng)時MFC毒性響應(yīng)最快（抑制率45.1%），因薄生物膜（圖4c）、高Geobacter豐度（57%）、顯著ORP梯度（110 mV變化）。  

2. 生物膜特性核心作用：ORP梯度（圖4a,e）和EPS組分（圖5）共同調(diào)控毒素擴散與電子傳遞效率，直接決定響應(yīng)靈敏度。  

3. 長期運行弊端：培養(yǎng)時間＞45天導(dǎo)致生物膜增厚（圖4h）、產(chǎn)甲烷菌增殖（表2），降低響應(yīng)速度與抑制率。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用Unisense RD10-9145 ORP微電極以10μm步長掃描生物膜剖面（圖4a,e）：  

1. 揭示生物膜內(nèi)氧化還原梯度：首次量化200μm厚度內(nèi)ORP從-159.2 mV（近電極）降至-269.9 mV（遠電極），證明電子傳遞的空間異質(zhì)性（圖4a）。  

2. 關(guān)聯(lián)微生物活性與響應(yīng)速度：陡峭ORP梯度（7天降110 mV）對應(yīng)高Geobacter豐度（57%）和快速毒性響應(yīng)（4小時），為"薄生物膜高效響應(yīng)"提供電化學(xué)證據(jù)（圖4e vs 表2）。  

3. 驗證流速影響機制：2 mL/min時ORP變化最劇烈（降幅110 mV），解釋其中等流速下最優(yōu)性能（對比0.5/5 mL/min僅48/29 mV變化）。  

4. 技術(shù)優(yōu)勢：微米級分辨率克服傳統(tǒng)電極的空間局限，原位捕捉生物膜內(nèi)代謝微環(huán)境動態(tài)，為優(yōu)化MFC傳感器設(shè)計提供關(guān)鍵參數(shù)。