Non-sealed water hastens the efficiency of microbial electrochemical  remediation system

非密封水加快了微生物電化學修復系統的效率

來源：Journal of Cleaner Production 468 (2024) 143008


1. 摘要核心內容


核心發現：低水位密封（MES?）顯著提升微生物電化學系統（MES）修復石油污染土壤的效率，其電荷積累（1282 C）是最高水位組（MES?，151 C）的8.5倍，石油烴（TPH）去除率提高4–11%。

機制：低水位通過增強溶解氧（DO）擴散、降低電阻，促進細菌群落協同作用（正相互作用占比高），驅動電子傳遞和污染物降解。

微生物證據：細菌（如Pseudomonas、Bacillus）在MES?中主導降解，而高水位（MES?）更利于真菌和古菌（如Methanosarcina）生長。


2. 研究目的


探究不同水位密封水平（0 cm, 3 cm, 5 cm, 動態0-3-5 cm）對土壤MES性能的影響。

揭示水位如何通過調控溶解氧（DO）、氧化還原電位（Rd）、電阻等物理化學參數，影響微生物群落結構與功能，進而優化石油烴降解效率。


3. 研究思路


系統構建：

以石油污染土壤為基質，構建單室MES（陽極在底，陰極在頂），設置4種水位密封處理（MES?, MES?, MES?, MES?????）。

多維度監測：

電化學性能：電壓、電荷積累、功率密度、阻抗（EIS）；

環境參數：原位DO、Rd、H?（Unisense微電極）、pH、EC、硫酸鹽；

污染物降解：TPH、TOC含量；

微生物響應：細菌/真菌/古菌群落結構、功能基因預測（FAPROTAX）、共現網絡分析。

關聯分析：

關聯電化學數據-環境參數-微生物群落，解析水位影響降解的機制。


4. 測量數據及其研究意義

（1）電化學數據（圖1）

數據：電壓（圖1a）、累積電荷（圖1b）、功率密度/極化曲線（圖1c-f）、EIS譜（圖1g-i）。

意義：

MES?電荷輸出（1282 C）顯著高于MES?（151 C），且電荷轉移電阻最低（圖1h），證明低水位降低電子傳遞阻力，提升系統效率。


（2）Unisense微電極原位數據（圖2）

數據：

DO深度剖面（圖2a-b）：MES?表層DO高達175.7 μmol/L，且隨深度遞減更快；

H?分布（圖2c）：MES?濃度反常高于高水位組；

Rd剖面（圖2d-f）：高水位組（MES?）氧化性更強（Rd更高）。

研究意義：

Unisense微電極提供了毫米級分辨率的原位環境參數，揭示：

DO的關鍵作用：低水位促進氧擴散至陰極區，驅動好氧降解（如Pseudomonas）；高水位則形成厭氧環境，微生物轉向硝酸鹽/硫酸鹽呼吸（圖7d-e）。

反常H?分布：MES?的高H?暗示電流生成可能抑制發酵過程（需結合微生物數據驗證）。

Rd與代謝路徑關聯：高Rd（MES?）對應硫酸鹽還原菌（如Desulfobacterota）富集（圖4e），解釋厭氧降解途徑的激活。


（3）污染物數據（圖3）

數據：TPH去除率（圖3a）、TOC含量（圖3b）。

意義：MES?陰極區TPH去除率最高（39–42%），證實好氧降解主導；TOC在陽極區積累（圖3b），反映陽極生物膜對有機物的電化學氧化。


（4）微生物數據（圖4–8）


群落組成（圖4）：

MES?富集電活性菌（Proteobacteria、Firmicutes）；MES?富集古菌（Methanosarcina）和硫酸鹽還原菌。

功能預測（圖7）：

MES?中烴降解基因豐度高；MES?中硫酸鹽呼吸、產甲烷基因主導。

共現網絡（圖8、表1）：

MES?細菌正相互作用占比高（66/115），關鍵菌（Marinobacter、Halomonas）形成緊密協作網絡。


5. 核心結論


低水位（MES?）為最優配置：

提升電荷輸出7.5倍（vs. MES?），TPH去除率提高30%（vs. 原始土壤）。

機制解析：

DO驅動好氧降解：低水位促進氧擴散至陰極區，激活好氧菌（如Pseudomonas）降解TPH。

微生物群落重構：MES?中細菌協同網絡增強（圖8），而MES?中古菌/真菌替代細菌主導厭氧降解。

電子傳遞優化：低水位降低電荷轉移電阻（圖1h），加速電子從陽極（降解污染物）向陰極（氧還原）傳遞。

Unisense數據的核心價值：

揭示空間異質性：DO/Rd的毫米級梯度證明陰極區為好氧降解熱點（圖2a,d），陽極區為厭氧區（低Rd）。

關聯微生物代謝：DO數據直接解釋Proteobacteria（好氧）在MES?的富集；Rd數據印證MES?中硫酸鹽還原菌的競爭優勢（圖4e）。

指導工程優化：證實水位通過調控DO控制微生物代謝路徑，為MES設計提供理論依據。


6. Unisense電極數據的詳細解讀

測量方法與技術優勢


技術：丹麥Unisense微電極（直徑1 mm），以15 s/點的分辨率獲取DO、H?、Rd的深度剖面（圖2）。

優勢：

原位高分辨：避免土壤擾動，實時捕捉毫米級環境梯度（如DO從陰極→陽極的遞減）。

多參數同步：關聯DO（電子受體）、Rd（氧化還原狀態）、H?（發酵產物），全面解析代謝環境。


關鍵發現與意義


DO的空間動態（圖2a-b）：

MES?陰極區DO最高（175.7 μmol/L），支持好氧降解；MES?中DO快速耗盡，轉向厭氧代謝。

意義：直接驗證“水位通過DO調控微生物代謝類型”的假設，解釋TPH去除率的差異（MES?陰極區降解率最高）。


Rd的氧化還原分區（圖2d-f）：

MES?的Rd顯著高于MES?（尤其在深層），對應硫酸鹽還原菌（Desulfobacterota）的富集（圖4e）。

意義：Rd梯度證實土壤內形成“陰極好氧/陽極厭氧”的分區，指導電極布局優化。


H?的反常分布（圖2c）：

MES?的H?濃度高于高水位組，違背“厭氧環境產H?”常規認知。

意義：暗示電流生成可能抑制發酵產氫，需結合古菌數據（如產甲烷菌）進一步驗證電子分流機制。


對研究的貢獻


機制驗證：微電極數據將宏觀性能（電荷、TPH去除）與微觀環境（DO/Rd梯度）關聯，闡明水位影響降解的物理化學基礎。

技術創新：首次在土壤MES中實現多參數原位監測，為復雜基質中的電化學-微生物互作研究提供范式。


總結


該研究通過多維度數據交叉驗證，證實低水位密封（MES?）通過增強氧擴散、降低電阻、促進細菌協同，顯著提升MES修復效率。Unisense微電極數據是解析機制的核心，其揭示的DO/Rd/H?空間異質性為理解“水位-環境參數-微生物功能”鏈條提供了不可替代的原位證據。