Electrode potential regulates phenol degradation pathways in oxygendiffused microbial electrochemical system

電極電位調(diào)節(jié)氧擴散微生物電化學(xué)系統(tǒng)中苯酚的降解途徑

來源：Chemical Engineering Journal 381 (2020) 122663

 

摘要核心發(fā)現(xiàn)

 

本研究揭示了電極電位在微氧擴散微生物電化學(xué)系統(tǒng)（MES）中對苯酚降解途徑的調(diào)控機制：

 

1.效率突破：

 

微氧條件（DO=282±20 μmol/L）下，+0.4 V電極電位使苯酚降解速率提升59%，降解時間縮短至66小時（圖3）；

 

2.代謝調(diào)控：

 

正電位（0~0.4 V）上調(diào)四條關(guān)鍵代謝途徑：苯甲酸CoA連接降解、丙酮酸代謝、乙醛酸-二羧酸代謝、糖酵解/糖異生（圖5）；

 

3.菌群協(xié)同：

 

電流刺激使生物膜中電活性菌（Geobacter） 與苯酚降解菌（PDB） 豐度同步提升（Geobacter從26%→33%，PDB從36%→46%）（圖4B）。

 

 

研究目的

 

1.解析電位-代謝關(guān)聯(lián)：

 

探究電極電位（-0.4~0.4 V vs. Ag/AgCl）如何調(diào)控苯酚降解中間產(chǎn)物及代謝通路；

2.驗證微氧協(xié)同效應(yīng)：

 

明確微氧環(huán)境（vs. 嚴(yán)格厭氧）對電活性菌功能維持的作用；

3.優(yōu)化毒性污染物處理：

 

為工業(yè)廢水中生物毒性物質(zhì)（如苯酚）的高效降解提供新策略。

 

研究思路

 

1. 系統(tǒng)構(gòu)建與條件控制

 

反應(yīng)器設(shè)計：

 

三電極MES系統(tǒng)（工作電極：石墨棒；參比電極：Ag/AgCl），通過PTFE蓋微孔實現(xiàn)可控氧擴散（實驗部分）；

 

電位梯度實驗：

 

施加-0.4, -0.2, 0, 0.2, 0.4 V電位，對比苯酚降解動力學(xué)（圖3）；

 

對照組設(shè)置：

 

開電路（MO-OC）、嚴(yán)格厭氧（AN）、無菌對照（圖2）。

 

2. 多維度機制解析

 

電化學(xué)監(jiān)測：

 

計時電流法（CA）記錄電流密度，循環(huán)伏安法（CV）分析電子轉(zhuǎn)移活性（圖1）；

 

微生物群落：

 

16S rRNA測序分析生物膜/懸浮液菌群結(jié)構(gòu)（圖4）；

 

代謝產(chǎn)物追蹤：

 

GC-MS鑒定27種中間代謝物，KEGG通路富集分析（圖5-6）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 電化學(xué)性能數(shù)據(jù)（圖1）

 

數(shù)據(jù)：

 

微氧系統(tǒng)（MO）電流密度穩(wěn)定在4±0.2 A/m2，顯著高于厭氧系統(tǒng)（AN）（圖1A）；

 

CV曲線顯示MO系統(tǒng)氧化還原峰電流增強，表明電子轉(zhuǎn)移活性提升（圖1B）。

 

意義：

 

微氧環(huán)境維持電活性菌呼吸鏈功能，打破“氧氣抑制EAB”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

 

2. 苯酚降解動力學(xué)（圖2-3）

 

數(shù)據(jù)：

 

微氧+0.4 V電位：66小時完全降解苯酚，速率達4.3 mg/h（圖3）；

 

厭氧系統(tǒng)：90小時降解率僅48±8%（圖2）。

 

意義：

 

微氧與正電位協(xié)同解決厭氧降解瓶頸，為高毒性廢水處理提供高效路徑。

 

3. 菌群結(jié)構(gòu)與功能（圖4）

 

數(shù)據(jù)：

 

0 V電位下Geobacter在生物膜中占比33%（vs. 開電路0.9%）；

 

PDB（如Acinetobacter, Pseudomonas）豐度提升至46%（圖4B）。

 

意義：

 

電極電位驅(qū)動電活性菌與降解菌共生，揭示生物膜內(nèi)跨界協(xié)同新機制。

 

4. 代謝通路調(diào)控（圖5-6）

 

數(shù)據(jù)：

 

0 V電位：乙酸積累量增加（糖酵解通路上調(diào)）；

 

-0.2 V電位：甲酸生成增強（乙醛酸代謝主導(dǎo)）（圖6）。

 

意義：

 

電位精準(zhǔn)調(diào)控碳流向，為定向生成高值中間體提供理論依據(jù)。

 

丹麥Unisense電極的核心價值

技術(shù)原理

 

原位動態(tài)監(jiān)測：

 

采用DO微傳感器（型號MM-Meter）實時監(jiān)測溶解氧（DO）空間分布（實驗部分）；

 

雙參數(shù)關(guān)聯(lián)：

 

同步記錄DO與氧化還原電位（ORP），揭示氧-電位協(xié)同效應(yīng)（結(jié)果3.1節(jié)）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

 

1.微氧區(qū)形成機制：

 

Unisense數(shù)據(jù)顯示：電極表面DO=0 μmol/L（ORP=-370 mV），而懸浮液DO升至247 μmol/L（ORP=110 mV），證實生物膜內(nèi)維持厭氧微環(huán)境（結(jié)果3.1節(jié)）；

2.氧擴散動力學(xué)：

 

DO消耗速率（15小時降至0）與苯酚降解初期速率正相關(guān)，解釋降解效率差異（圖2 vs. 圖3）；

3.系統(tǒng)穩(wěn)定性預(yù)警：

 

53小時DO突增預(yù)示ORP躍變（-244→110 mV），提前預(yù)警代謝途徑切換（好氧途徑激活）。

 

不可替代性

 

 

傳統(tǒng)方法局限：

 

離線DO檢測無法捕捉瞬態(tài)氧波動，破壞系統(tǒng)密封性；

 

Unisense優(yōu)勢：

 

秒級響應(yīng)與空間分辨能力首次揭示MES中氧梯度分布，為“微氧不抑制EAB”提供直接證據(jù)。

 

結(jié)論

 

1.電位-代謝耦合機制：

 

正電位（>0 V）通過上調(diào)四條核心代謝通路，將苯酚降解速率提升59%；

2.微氧-電活性菌共生：

 

氧擴散形成厭氧/好氧分區(qū)，Geobacter在電極表面厭氧區(qū)維持電子傳遞功能；

3.Unisense電極價值：

 

其原位氧監(jiān)測能力是解析“電位-氧”協(xié)同效應(yīng)的關(guān)鍵，推動MES向復(fù)雜廢水處理拓展。

 

應(yīng)用方向：該策略可推廣至氯酚、硝基苯等難降解污染物處理，Unisense技術(shù)為優(yōu)化反應(yīng)器氧調(diào)控參數(shù)提供工具支撐。

 

圖示關(guān)聯(lián)：

 

 

圖1：電化學(xué)性能（CA/CV曲線）

 

圖2：微氧vs.厭氧降解效率對比

 

圖3：電位梯度對苯酚降解的影響

 

圖4：菌群結(jié)構(gòu)（Geobacter/PDB豐度）

 

圖5：代謝通路上調(diào)分析（0 V vs. -0.2 V）

 

圖6：電位特異性代謝產(chǎn)物調(diào)控