Biofilm metagenomic characteristics behind high coulombic efficiency for propanethiol deodorization in two-phase partitioning microbial fuel cell  

兩相分配微生物燃料電池中丙硫醇除臭高庫(kù)侖效率背后的生物膜宏基因組特征  

來(lái)源：Water Research, Volume 246, 2023, Article 120677

《水研究》第246卷，2023年，文章編號(hào)120677  

 

摘要內(nèi)容

 

研究首次將硅油作為非水相（NAP）引入微生物燃料電池（MFC），構(gòu)建兩相分配微生物燃料電池（TPPMFC），以增強(qiáng)疏水性揮發(fā)性有機(jī)硫化合物（VOSCs）——丙硫醇（PT）在液相中的傳質(zhì)效率。與單相MFC相比，TPPMFC在32小時(shí)內(nèi)對(duì)PT的去除效率提升11-20%，庫(kù)侖效率達(dá)11.01%（為單相MFC的4.32-2.68倍）。機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)：硅油表面富集高活性脫硫菌（如假單胞菌屬 Pseudomonas、無(wú)色桿菌屬 Achromobacter），而陽(yáng)極生物膜以硫氧化菌（如硫桿菌屬 Thiobacillus、叢毛單胞菌屬 Comamonas、奧托菌屬 Ottowia）為主。TPPMFC中外膜細(xì)胞色素c含量和NADH脫氫酶活性分別提高4.15倍和3.36倍。宏基因組分析（KEGG和COG）證實(shí)PT代謝途徑更完善，且NAP上調(diào)了硫代謝、能量生成和氨基酸合成相關(guān)基因表達(dá)。

 

研究目的

解決疏水性VOSCs在MFC中傳質(zhì)受限問(wèn)題，提升其降解效率與能量回收率。  

 

闡明硅油NAP對(duì)陽(yáng)極生物膜電化學(xué)活性及微生物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制。  

 

解析TPPMFC中PT的代謝路徑與電子傳遞強(qiáng)化原理。

 

研究思路

構(gòu)建TPPMFC系統(tǒng)：  

 

雙室MFC中引入4-8%（v/v）硅油作為NAP，以石墨氈為陽(yáng)極，鉑片為陰極。  

 

以500 mg/L PT為唯一碳源，對(duì)比NAP添加前后的性能變化（電壓輸出、PT降解率、庫(kù)侖效率）。  

多維度性能表征：  

 

電化學(xué)測(cè)試：極化曲線、循環(huán)伏安（CV）、線性掃描伏安（LSV）、電化學(xué)阻抗（EIS）。  

 

生物膜分析：掃描電鏡（SEM）、共聚焦顯微鏡（CLSM）、溶解氧微電極（Unisense）、胞外聚合物（EPS）組分。  

 

微生物活性：NADH脫氫酶活性、細(xì)胞色素c含量、細(xì)胞表面疏水性。  

宏基因組解析：  

 

高通量測(cè)序分析陽(yáng)極生物膜、懸浮硅油表面及電解液中微生物群落結(jié)構(gòu)。  

 

KEGG/COG注釋關(guān)鍵功能基因，構(gòu)建PT代謝網(wǎng)絡(luò)。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

電化學(xué)性能（圖1a-b, 圖2a-d, 表1）  

 

 

 

數(shù)據(jù)：添加4%硅油后，最大輸出電壓185.1 mV（較未添加階段提升91.4%），功率密度142.5 mW/m2（提升6.4倍），庫(kù)侖效率11.01%（單相階段僅2.05-4.11%）。  

 

意義：量化硅油對(duì)MFC能量輸出的增強(qiáng)效果，證明NAP可突破疏水性污染物處理的能量回收瓶頸。  

溶解氧分布（圖4）  

 

 

數(shù)據(jù)：Unisense微電極測(cè)得生物膜活性氧區(qū)厚度從80μm增至170μm（硅油添加后）。  

 

意義：揭示硅油通過(guò)改善氧傳遞效率（如攜帶溶解氧、更新生物膜）擴(kuò)大好氧反應(yīng)區(qū)域，抑制厭氧區(qū)形成，提升PT降解速率。  

生物膜活性（圖5a-d）  

 

 

數(shù)據(jù)：硅油添加后，活菌比例從73.2%升至95.9%，NADH脫氫酶活性（14.88 U/cm3）和細(xì)胞色素c含量（47.3 mmol/cm3）分別提升3.36倍和4.15倍。  

 

意義：證實(shí)硅油通過(guò)清除凋亡菌、優(yōu)化EPS結(jié)構(gòu)（蛋白質(zhì)/多糖比從1.06升至1.51），強(qiáng)化微生物代謝與電子傳遞能力。  

微生物群落與功能基因（圖6, 圖7, 表2）  

 

 

 

 

數(shù)據(jù)：硅油表面富集Hyphomicrobium（硫醚降解菌，豐度從0.05%升至1.36%），陽(yáng)極生物膜中Pseudomonas（PT降解菌）豐度從32.1%增至41.2%。KEGG顯示硫代謝（soxC基因）、能量合成（sdhA、fumA基因）顯著上調(diào)。  

 

意義：闡明硅油通過(guò)調(diào)控功能菌群空間分布與代謝通路，協(xié)同提升PT脫硫效率與電子產(chǎn)生能力。

 

結(jié)論

性能突破：  

 

4%硅油使PT降解率提升11-20%，庫(kù)侖效率達(dá)11.01%（當(dāng)前VOSCs處理MFC最高值），功率密度提升6.4倍。  

機(jī)制創(chuàng)新：  

 

硅油作為PT"濃縮載體"與"生物膜更新劑"，通過(guò)增強(qiáng)傳質(zhì)、優(yōu)化生物膜結(jié)構(gòu)（活菌比例↑）、擴(kuò)大氧活性區(qū)（170μm），激活硫代謝與電子傳遞鏈（細(xì)胞色素c↑）。  

應(yīng)用價(jià)值：  

 

TPPMFC為處理低溶解度污染物（如惡臭氣體、石油烴）提供高效解決方案，推動(dòng)生物電化學(xué)系統(tǒng)在廢水/廢氣處理中的工程化應(yīng)用。

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中采用Unisense OX-25氧微電極（分辨率≤10 μm）測(cè)量生物膜溶解氧剖面（圖4），其核心價(jià)值在于：  

空間分辨氧動(dòng)力學(xué)解析：  

 

精準(zhǔn)量化生物膜內(nèi)氧梯度（0-750 μm深度），揭示硅油添加后活性氧區(qū)厚度倍增（80→170 μm），證明NAP通過(guò)物理攪動(dòng)更新生物膜表層死細(xì)胞層，并攜帶溶解氧強(qiáng)化液-固界面?zhèn)髻|(zhì)。  

機(jī)制關(guān)聯(lián)性驗(yàn)證：  

 

氧活性區(qū)擴(kuò)展與電化學(xué)性能提升（功率密度↑6.4倍）直接關(guān)聯(lián)，證實(shí)好氧區(qū)擴(kuò)大促進(jìn)PT礦化（SO?2?轉(zhuǎn)化率從31.9%升至58.2%），減少硫沉積（S?含量從12.3%降至7.1%）。  

技術(shù)不可替代性：  

 

傳統(tǒng)溶氧儀僅獲本體溶液平均值，而微電極可定位生物膜微米級(jí)氧熱點(diǎn)（如硅油-生物膜界面100μm活性區(qū)），解析局部氧環(huán)境對(duì)硫氧化菌（如Thiobacillus）活性的調(diào)控作用。  

 

核心貢獻(xiàn)：Unisense數(shù)據(jù)將"NAP添加→氧傳遞增強(qiáng)→生物膜活性重構(gòu)→電化學(xué)性能提升"的因果鏈條實(shí)證化，為疏水性污染物生物電化學(xué)處理提供優(yōu)化依據(jù)。