Constructing aerotolerant bioanode with flat and compact biofilm for high power generation of microbial fuel cells

構(gòu)建具有平坦致密生物膜的耐氧生物陽(yáng)極以提升微生物燃料電池的功率輸出  

來源：Chemical Engineering Journal, Volume 472, 2023, Article 145119

《化學(xué)工程雜志》第472卷，2023年，文章編號(hào)145119  

 

摘要內(nèi)容

 

研究提出通過調(diào)控外部電阻（500–4000Ω）或氮?dú)獯祾咚俾剩?0–160 mL/min）在生物陽(yáng)極富集階段構(gòu)建耐氧生物膜，解決了緊湊電極微生物燃料電池（MFC）因電極間距縮小導(dǎo)致的氧擴(kuò)散問題。耐氧生物陽(yáng)極具有平坦致密的生物膜結(jié)構(gòu)，形成較厚的層流邊界層（>300 μm），顯著降低氧擴(kuò)散通量，使緊湊型MFC功率密度提升85%達(dá)4300 mW/m2（體積功率1430 W/m3）。微生物群落以Geobacter（>55%）為主，證明結(jié)構(gòu)調(diào)控而非菌種改變是實(shí)現(xiàn)耐氧性的關(guān)鍵。  

 

研究目的

開發(fā)構(gòu)建高性能耐氧生物陽(yáng)極的方法，克服緊湊電極MFC中氧擴(kuò)散對(duì)陽(yáng)極性能的抑制。  

 

闡明生物膜物理結(jié)構(gòu)（平整度、致密度）與耐氧性的機(jī)制關(guān)聯(lián)。  

 

驗(yàn)證結(jié)構(gòu)調(diào)控策略對(duì)MFC功率輸出的提升效果。  

 

研究思路

生物陽(yáng)極富集調(diào)控：  

 

在雙室MFC中，通過設(shè)置不同外部電阻（500/1000/2000/4000Ω）或氮?dú)獯祾咚俾剩?0/40/80/160 mL/min）富集生物陽(yáng)極。  

耐氧性測(cè)試：  

 

向陽(yáng)極室泵入空氣（20 mL/min），監(jiān)測(cè)電壓損失（圖1），評(píng)估生物陽(yáng)極耐氧性。  

 

緊湊型MFC性能驗(yàn)證：  

 

將富集后的生物陽(yáng)極組裝至電極間距0.22 cm的緊湊型MFC，測(cè)試功率密度（圖2）。  

 

機(jī)制解析：  

 

使用Unisense氧微電極測(cè)量生物膜內(nèi)溶解氧梯度（圖3a-b）；  

 

 

CLSM和SEM觀察生物膜三維結(jié)構(gòu)及形貌（圖3d-i, 圖4）；  

 

純菌（Geobacter sulfurreducens PCA）驗(yàn)證電壓調(diào)控對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的影響（圖6-7）。  

 

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

電壓損失（圖1）  

 

數(shù)據(jù)：小電阻（500Ω）或高氮?dú)獯祾撸?60 mL/min）富集的生物陽(yáng)極電壓損失最低（R500損失0%，N160損失6.4%），而大電阻（4000Ω）或低吹掃（20 mL/min）組損失超88%。  

 

意義：證明外部電阻和流體剪切力可有效調(diào)控生物陽(yáng)極耐氧性。  

功率密度（圖2）  

 

數(shù)據(jù)：緊湊型MFC（CEA-R75組）最大功率密度達(dá)4300 mW/m2，較對(duì)照組（CEA-R1000）提升85%。  

 

意義：耐氧生物陽(yáng)極顯著提升緊湊電極MFC性能，功率密度達(dá)行業(yè)領(lǐng)先水平。  

溶解氧梯度（圖3a-b）  

 

數(shù)據(jù)：R500組生物膜表面層流邊界層厚368±43 μm，氧通量?jī)H1.81×10?? μmol/cm2/s；R4000組邊界層厚75±5 μm，氧通量達(dá)7.81×10?? μmol/cm2/s。  

 

意義：平坦致密生物膜通過增厚邊界層限制氧擴(kuò)散（氧通量降低4.3倍）。  

生物膜結(jié)構(gòu)（圖3d-i, 圖4）  

 

數(shù)據(jù)：小電阻/高吹掃組（R500/N80）生物膜平整致密（CLSM顯示連續(xù)結(jié)構(gòu)，SEM顯示緊密微生物-EPS復(fù)合體）；大電阻/低吹掃組（R4000/N20）生物膜多孔疏松。  

 

意義：物理結(jié)構(gòu)是耐氧性主因，與層流邊界層厚度顯著相關(guān)（R2=0.9521，圖3c）。  

純菌驗(yàn)證（圖6-7）  

 

數(shù)據(jù)：高電壓（0.7V）富集的Geobacter生物膜致密，耐氧性強(qiáng)（通氣后陽(yáng)極電位僅降至-0.45V）；低電壓（0.4V）組生物膜疏松，電位驟降至-0.03V。  

 

意義：在純菌體系中證實(shí)生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)耐氧性的決定性作用。  

 

結(jié)論

方法有效性：小外部電阻（≤500Ω）或高氮?dú)獯祾咚俾剩ā?0 mL/min）富集可構(gòu)建耐氧生物陽(yáng)極，電壓損失降至6.4%以下。  

 

核心機(jī)制：調(diào)控形成的平坦致密生物膜增厚層流邊界層（>300 μm），降低氧擴(kuò)散通量7.5倍，而非依賴好氧菌富集（Geobacter仍占主導(dǎo)>55%）。  

 

性能突破：耐氧生物陽(yáng)極使緊湊型MFC功率密度達(dá)4300 mW/m2（1430 W/m3），為厭氧消化工藝功率密度的1.3倍。  

 

應(yīng)用前景：該方法無需好氧預(yù)處理，為高功率MFC設(shè)計(jì)提供新思路。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中采用Unisense氧微電極（型號(hào)未注明，步進(jìn)精度5 μm）測(cè)量生物膜-溶液界面的溶解氧梯度（圖3a-b），其數(shù)據(jù)價(jià)值體現(xiàn)在：  

邊界層厚度量化：  

 

直接測(cè)定氧濃度驟降起始位置（如R500組距電極表面368 μm），首次將生物膜粗糙度參數(shù)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的物理邊界（層流邊界層厚度），揭示結(jié)構(gòu)調(diào)控的耐氧機(jī)制。  

氧通量精確計(jì)算：  

 

基于Fick定律，結(jié)合實(shí)測(cè)氧梯度（dC/dx）和擴(kuò)散系數(shù)（2.5×10?? m2/s），計(jì)算氧通量（J??）。數(shù)據(jù)表明致密生物膜（R500）氧通量（1.81×10?? μmol/cm2/s）僅為多孔膜（R4000）的23%，解釋電壓損失差異。  

電流損失關(guān)聯(lián)驗(yàn)證：  

 

將J??轉(zhuǎn)化為等效電流密度（0.175 A/m2 vs 0.75 A/m2），證明氧通量占陽(yáng)極電流密度比例（R500:10–15% vs R4000:66–98%）與電壓損失線性相關(guān)（圖3c）。  

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：  

 

高空間分辨率（5 μm步長(zhǎng)）捕捉生物膜表面氧梯度突變，克服傳統(tǒng)DO探頭無法定位邊界層的局限；  

 

微創(chuàng)測(cè)量保持生物膜完整性，確保原位數(shù)據(jù)真實(shí)性。  

 

核心貢獻(xiàn)：Unisense微電極數(shù)據(jù)為"生物膜結(jié)構(gòu)→邊界層厚度→氧通量→電性能損失"的機(jī)制鏈條提供直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，奠定結(jié)構(gòu)調(diào)控策略的理論基礎(chǔ)。