Effect of starch-derived organic acids on the removal of polycyclic aromatic hydrocarbons in an aquaculture-sediment microbial fuel cell  

淀粉衍生有機酸對水產沉積物微生物燃料電池中多環芳烴去除的影響  

來源：Journal of Environmental Management, Volume 311, 2022, 114783  

《環境管理雜志》第311卷，2022年，文章編號114783  

 

摘要內容

本研究構建沉積物微生物燃料電池（SMFC）用于處理受多環芳烴（PAHs）污染的水產養殖沉積物。以沉積物中天然存在的淀粉為共基質，評估淀粉衍生有機酸對SMFC電化學性能和PAHs去除的影響。結果表明：適量淀粉（5–10 mg/g）通過促進電化學活性菌（如Macellibacteroides）富集，顯著提升PAHs去除率（萘69.9%、苊55.6%、芘46.8%）和輸出電壓（峰值478 mV）；過量淀粉（≥20 mg/g）導致有機酸積累，降低陽極pH（<5.5），減少物種多樣性，抑制SMFC性能。電性能與PAHs去除率顯著正相關（R>0.96）。但放大至單室SMFC裝置后，因陽極“有效范圍”受限，PAHs去除率未達預期。  

 

研究目的  

探究淀粉作為共基質對SMFC系統的影響機制，量化淀粉衍生有機酸對PAHs去除效率和電化學性能的作用，評估SMFC技術在水產沉積物修復中的應用潛力。  

 

研究思路  

雙室SMFC小試：設置梯度淀粉濃度組（0、5、10、20、40 mg/g），對比PAHs去除率（萘、苊、芘）、電壓輸出、有機酸積累及微生物群落變化。  

 

機制解析：通過pH監測、有機酸分析及微生物測序，闡明淀粉衍生有機酸對陽極微環境的影響路徑。  

 

放大驗證：基于小試最優條件（10 mg/g淀粉），構建15L單室SMFC裝置，評估實際應用可行性。  

 

測量數據、來源及意義  

 

3.1 PAHs去除率（圖1、圖9）  

來源：圖1（雙室SMFC中三種PAHs動態去除曲線）、圖9a（單室裝置PAHs去除率）  

 

 

意義：直接量化SMFC修復效果。數據表明：淀粉濃度通過改變微生物活性和陽極環境調控PAHs降解速率，其中低分子量PAHs（萘）更易去除。  

 

3.2 電化學性能（圖2–4）  

來源：圖2（輸出電壓動態曲線）、圖3（極化曲線與功率密度）、圖4（循環伏安曲線）  

 

 

 

 

意義：揭示系統能量轉化效率。適量淀粉提升峰值電壓至478 mV（圖2），降低內阻至719–733 Ω（圖3），增強電子轉移能力（圖4氧化峰電流64.2 mA）；過量淀粉削弱電活性菌功能，導致性能衰減。  

 

3.3 陽極微環境參數（圖5–6）  

來源：圖5（pH動態變化）、圖6（乙酸/丙酸/丁酸積累量）  

 

 

意義：闡明淀粉代謝路徑的影響。有機酸積累（圖6）與pH下降（圖5）顯著相關（P<0.01），證實過量淀粉通過酸化環境（pH<5.5）抑制電活性菌（如Proteobacteria）。  

 

3.4 微生物群落（圖7–8）  

來源：圖7（門/屬水平群落組成）、圖8（冗余分析）  

 

 

意義：解析生物機制。Bacteroidetes門（尤其Macellibacteroides屬）與PAHs去除和電輸出正相關（R>0.96），其豐度在適量淀粉組達26.9%（圖7b）；過量淀粉使Firmicutes成為絕對優勢菌（92.4%），破壞功能菌群平衡（圖8）。  

 

結論  

 

4.1 適量淀粉（5–10 mg/g）通過提供碳源和維持中性pH，促進電活性菌（如Macellibacteroides）生長，同步提升PAHs降解（萘>苊>芘）和電性能（內阻降低23%）。  

4.2 過量淀粉（≥20 mg/g）誘導有機酸積累（VFAs>20 mg/g），導致陽極酸化（pH<5.5），抑制Proteobacteria等電活性菌，降低物種多樣性（Shannon指數由6.29降至4.80）。  

4.3 單室放大裝置因陽極“有效范圍”受限及物質擴散障礙，PAHs去除率僅為小試的50%（圖9），需優化電極布局以提升實用性。  

 

Unisense電極數據的詳細研究意義  

使用丹麥Unisense微電極系統（pH-NP探頭，分辨率0.3 μM）測量的pH數據（圖5）是揭示有機酸抑制機制的關鍵：  

微尺度精度：50 μm尖端直徑可穿透沉積物微區，實時監測淀粉發酵導致的局部酸化（如M-40組pH降至4.68），避免整體取樣誤差。  

 

過程關聯：動態pH曲線與有機酸積累（圖6）及電壓輸出（圖2）同步分析，證實酸化是性能衰減的直接誘因——當pH<5.5時，電活性菌豐度下降>80%（圖7a），內阻增加40%（圖3）。  

 

生態閾值：明確pH=5.5為系統性能拐點，為SMFC運行參數優化提供臨界值依據。  

 

應用指導：酸化預警可指導淀粉投加策略，避免過度發酵導致的微環境失衡。