Sediment microbial fuel cells as a barrier to sulfide accumulation and their potential for sediment remediation beneath aquaculture pens  

沉積物微生物燃料電池作為硫化物積累的屏障及其在水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱下方沉積物修復(fù)的潛力  

來源：Scientific Reports，volume 10, Article number: 13087 (2020)  

《科學(xué)報(bào)告》第10卷，文章編號13087（2020年）  

 

摘要內(nèi)容：  

摘要闡述了沉積物微生物燃料電池（SMFCs）通過氧化沉積物中還原性化合物（如硫化物或有機(jī)碳）發(fā)電的原理，并探討其作為修復(fù)水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱下方有機(jī)污染沉積物的技術(shù)潛力。通過96天的實(shí)驗(yàn)室微宇宙實(shí)驗(yàn)，比較了工作狀態(tài)SMFCs與對照組（開路控制和僅沉積物控制）對沉積物地球化學(xué)的影響。結(jié)果表明：SMFCs顯著降低孔隙水硫化物濃度（深度積分硫化物庫存僅為對照組的20%），但對沉積物氧需求（SOD）無顯著影響。同時(shí)，SMFCs導(dǎo)致沉積物pH降低，需考慮其潛在生態(tài)影響。實(shí)驗(yàn)證實(shí)SMFCs具備修復(fù)水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)硫化物污染沉積物的應(yīng)用前景。  

 

研究目的：  

1. 評估SMFCs能否通過加速有機(jī)物分解降低沉積物氧需求（SOD）  

2. 量化SMFCs對孔隙水硫化物的去除效果，并判斷其是否足以改善水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)沉積物環(huán)境  

 

研究思路：  

1. 實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建4組沉積物微宇宙：2組工作狀態(tài)SMFCs（SMFC-1、SMFC-2）、1組開路控制（OC）、1組沉積物控制（SO）  

2. 持續(xù)監(jiān)測96天，記錄電壓、電流和功率密度（圖2、圖3）  

 

 

3. 使用丹麥Unisense微電極測量孔隙水中氧氣（圖6）、硫化物（圖4）、pH（圖5）的深度剖面  

 

 

 

4. 對比分析SMFCs與對照組的地球化學(xué)參數(shù)差異（如硫化物庫存圖7、SOD）  

 

5. 通過硫化物通量計(jì)算和電流關(guān)聯(lián)，解析SMFCs的電子來源  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 電化學(xué)數(shù)據(jù)（圖2、圖3）：  

   ? 測量內(nèi)容：電壓、電流密度、功率密度、內(nèi)阻  

 

   ? 研究意義：量化SMFCs的長期運(yùn)行性能；通過碳當(dāng)量轉(zhuǎn)化關(guān)聯(lián)電流與有機(jī)物氧化速率  

 

   ? 來源：圖2（電流/電壓）、圖3（功率/極化曲線）  

 

2. 硫化物深度剖面（圖4、圖7）：  

   ? 測量內(nèi)容：孔隙水總硫化物（tot-S2?）濃度隨深度分布  

 

   ? 研究意義：證實(shí)SMFCs使硫化物在陽極深度降至0 μM（圖4b）；深度積分庫存顯示SMFCs組硫化物僅為對照組20%（圖7）  

 

   ? 來源：圖4（剖面）、圖7（庫存）  

 

3. pH深度剖面（圖5）：  

   ? 測量內(nèi)容：沉積物pH隨深度變化  

 

   ? 研究意義：揭示SMFCs導(dǎo)致深層沉積物持續(xù)酸化（pH~5.5），可能影響鐵硫循環(huán)和金屬遷移  

 

   ? 來源：圖5  

 

4. 氧氣剖面與SOD（圖6）：  

   ? 測量內(nèi)容：氧氣滲透深度及消耗速率  

 

   ? 研究意義：通過模型計(jì)算SOD，證明SMFCs未顯著改變有機(jī)物總礦化速率  

 

   ? 來源：圖6  

 

結(jié)論：  

1. SMFCs顯著降低孔隙水硫化物濃度（較對照組低750 μM），使水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物從"不良"生態(tài)狀態(tài)改善至"可接受"水平（基于Cranford等提出的硫化物-EQS標(biāo)準(zhǔn)）  

2. SMFCs未加速有機(jī)物總礦化速率（SOD無差異），但將硫氧化途徑從自然沉積的硫酸鹽還原轉(zhuǎn)向陽極電子傳遞  

3. 硫化物氧化貢獻(xiàn)18–73%的電子，其余可能來自有機(jī)質(zhì)或FeS溶解  

4. SMFCs導(dǎo)致沉積物酸化（pH~5.5），可能促進(jìn)FeS溶解并影響重金屬遷移，需納入技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評估  

5. 電極鈍化（內(nèi)阻增加）和長期有機(jī)質(zhì)消耗限制了持續(xù)運(yùn)行時(shí)間  

 

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

1. 高分辨率硫化物剖面（圖4b）：  

   ? 通過100 μm尖端微電極直接觀測到硫化物在陽極表面的線性梯度下降（陽極上方和下方通量分別為1.75±0.17 mmol S2? m?2 d?1），證明硫化物是SMFCs的關(guān)鍵電子供體。  

 

   ? 結(jié)合電流數(shù)據(jù)（圖2），定量解析硫氧化反應(yīng)路徑（部分氧化為S?或完全氧化為SO?2?），為硫循環(huán)調(diào)控提供機(jī)制依據(jù)。  

 

2. pH微剖面（圖5）：  

   ? 揭示SMFCs運(yùn)行導(dǎo)致深層沉積物持續(xù)低pH（~5.5），突破傳統(tǒng)沉積物pH回升趨勢。  

 

   ? 酸化機(jī)制關(guān)聯(lián)陽極反應(yīng)質(zhì)子釋放和硫化物消耗導(dǎo)致的堿度損失，警示實(shí)際應(yīng)用可能擾動(dòng)沉積物緩沖體系。  

 

3. 氧氣微剖面與SOD模型（圖6）：  

   ? 通過100 μm分辨率O?剖面和伯格模型分區(qū)擬合耗氧速率，首次證實(shí)SMFCs雖改變電子傳遞路徑，但未加速總有機(jī)碳礦化（SMFCs組SOD=15.2±5.0 vs. 對照組13.1±2.6 mmol O? m?2 d?1）。  

 

   ? 明確SMFCs通過"生物地球化學(xué)通氣管"作用轉(zhuǎn)移還原性硫，而非增強(qiáng)礦化速率。  

 

4. 時(shí)間序列對比：  

   ? 多時(shí)間點(diǎn)（0/46/96天）剖面顯示硫化物抑制效應(yīng)隨SMFCs運(yùn)行時(shí)間增強(qiáng)，證實(shí)技術(shù)修復(fù)需持續(xù)運(yùn)行。  

 

   ? 早期（day0）無差異排除了沉積物初始異質(zhì)性的干擾，凸顯實(shí)驗(yàn)可靠性。