Diffusion and filamentous bacteria jointly govern the spatiotemporal process of sulfide removal in sediment microbial fuel cells  

擴散與絲狀細菌共同調(diào)控沉積物微生物燃料電池中硫化物去除的時空過程  

來源：Chemical Engineering Journal, 405 (2021) 126680

《化學(xué)工程雜志》，第405卷，2021年，文章編號126680

 

摘要核心內(nèi)容

 

研究通過沉積物微生物燃料電池（SMFCs）探究酸性揮發(fā)性硫化物（AVS）在陽極區(qū)域的時空擴散與降解過程。結(jié)果表明：  

1. SMFCs電流產(chǎn)生導(dǎo)致沉積物中AVS、氧化還原電位（ORP）、pH、Fe2?、總有機碳（TOC）和硫酸鹽等變量形成顯著梯度；  

2. AVS去除效率（REAVS）隨外阻增大和距陽極距離增加而降低；  

3. 基于菲克第二定律的數(shù)學(xué)模型預(yù)測早期（15天內(nèi)）AVS去除由擴散主導(dǎo)，但預(yù)測準確性隨時間和距離增加而下降；  

4. 微生物群落分析揭示絲狀硫還原菌Caldisericum和發(fā)酵菌Anaerolineaceae作為關(guān)鍵物種富集，形成微生物網(wǎng)絡(luò)共同驅(qū)動硫化物去除。  

 

研究目的

 

1. 揭示SMFCs中污染物（AVS）在陽極區(qū)域的時空擴散與降解機制；  

2. 量化電流密度、距離和時間對AVS去除效率的影響；  

3. 解析擴散動力學(xué)與微生物群落的協(xié)同作用機制。  

 

研究思路

 

1. 實驗設(shè)計：  

   ? 構(gòu)建SMFCs微宇宙，設(shè)置不同外阻（50Ω、500Ω、5000Ω）模擬電流密度梯度（圖1a-b）；  

 

   ? 分層采樣沉積物（L1-L5層），監(jiān)測時空動態(tài)變化（15天、30天、42天）。  

 

2. 多參數(shù)測量：  

   ? 使用丹麥Unisense微電極測量沉積物孔隙水的O?、H?S、N?O垂直分布（圖2）；  

 

   ? 分析AVS、ORP、pH、Fe2?、TOC、硫酸鹽等環(huán)境變量（圖2）；  

 

   ? 結(jié)合微生物群落（16S rRNA測序）和掃描電鏡（SEM）觀察菌群結(jié)構(gòu)（圖4-6）。  

 

 

 

 

3. 數(shù)學(xué)模型：基于菲克第二定律構(gòu)建擴散模型，預(yù)測AVS遷移規(guī)律（圖3）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 電流密度與AVS去除效率（圖1b-c）  

   ? 數(shù)據(jù)：電流密度隨外阻增大而降低（SMFCs50峰值76 mA/m2，SMFCs5000峰值28.17 mA/m2）；REAVS在近陽極層（L1-L2）高達86.54%，隨距離（L3-L5）降至8.17%。  

 

   ? 意義：證實低外阻（高電流）可擴大陽極影響范圍，為SMFCs工程化設(shè)計提供參數(shù)依據(jù)。  

 

2. 環(huán)境變量梯度（圖2）  

   ? 數(shù)據(jù)：近陽極區(qū)域ORP升高（-130.48 mV）、pH降低（6.08）、硫酸鹽濃度升高（1.70 mM），形成化學(xué)梯度；Fe2?濃度先降后升，反映硫氧化-鐵還原耦合過程。  

 

   ? 意義：揭示電流驅(qū)動下沉積物氧化還原狀態(tài)的改變，直接關(guān)聯(lián)硫化物氧化路徑。  

 

3. 擴散模型驗證（圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：早期（15天）AVS去除率與擴散模型預(yù)測值高度匹配（斜率z≈-0.081）；后期（42天）模型偏離實測值。  

 

   ? 意義：早期擴散主導(dǎo)硫化物遷移，后期微生物活動（如絲狀菌網(wǎng)絡(luò)）逐步成為主導(dǎo)因素。  

 

4. 微生物群落與形態(tài)（圖4-6）  

   ? 數(shù)據(jù)：絲狀菌Caldisericum（硫還原菌）和Anaerolineaceae（發(fā)酵菌）相對豐度顯著富集（圖4a）；SEM顯示陽極表面密布>500μm絲狀菌（圖6a）；微生物網(wǎng)絡(luò)分析揭示其為核心節(jié)點（圖5）。  

 

   ? 意義：絲狀菌通過物理網(wǎng)絡(luò)促進電子傳遞，擴大硫化物氧化范圍，突破擴散限制。  

 

結(jié)論

 

1. 擴散主導(dǎo)早期硫遷移：前15天AVS去除符合菲克擴散定律，但隨距離增大效率衰減。  

2. 絲狀菌的關(guān)鍵作用：Caldisericum和Anaerolineaceae形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，加速電子傳遞，使后期AVS去除效率趨同于不同距離層（圖6c）。  

3. 工程啟示：優(yōu)化SMFCs需兼顧擴散動力學(xué)（如電極間距）和微生物群落調(diào)控（富集絲狀功能菌）。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

1. 高分辨率原位監(jiān)測：  

   ? 微米級垂直剖面揭示O?-H?S-N?O耦合關(guān)系（如E站N?O峰值與H?S氧化區(qū)重疊），精準定位氧化還原界面（如O?滲透深度僅0.7 mm），避免采樣擾動導(dǎo)致的誤差。  

 

2. 支撐硫循環(huán)機制解析：  

   ? ORP梯度證實陽極附近氧化狀態(tài)增強（-130.48 mV），直接驅(qū)動S2?→SO?2?轉(zhuǎn)化；  

 

   ? pH下降（6.08）指示硫氧化產(chǎn)酸過程，與硫酸鹽濃度升高形成相互驗證；  

 

   ? Fe2?動態(tài)反映硫化物氧化與鐵還原的偶聯(lián)，揭示化學(xué)-生物協(xié)同路徑。  

 

3. 量化擴散參數(shù)：  

   ? 測得沉積物擴散系數(shù)Ds（1.20×10?? cm2/s）為模型提供關(guān)鍵輸入，驗證擴散對早期AVS遷移的主導(dǎo)性。