Sulfur oxidation process: A neglected contributor to minimize P release during sediment microbial fuel cell operation  

硫氧化過程：沉積物微生物燃料電池運(yùn)行中被忽視的磷釋放抑制機(jī)制  

來源：Chemical Engineering Journal 449 (2022) 137845

《化學(xué)工程雜志》第449卷 2022年 文章編號(hào)137845

 

摘要內(nèi)容

 

摘要指出：通過300天的沉積物微生物燃料電池（SMFC）實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硫氧化過程是抑制沉積物中磷（P）釋放的關(guān)鍵機(jī)制。SMFC組上覆水中的可溶性活性磷（SRP）濃度顯著低于對(duì)照組，證實(shí)SMFC能有效抑制內(nèi)源磷釋放。實(shí)驗(yàn)觀察到陽(yáng)極附近沉積物中FeS減少、孔隙水中SO?2?積累（第160天起），表明發(fā)生FeS氧化過程。同時(shí)，溶解的Fe2?向上擴(kuò)散并被氧化為Fe(III)氧化物，吸附磷形成更高的BD-P（612.50±32.25 μg/g）。微生物群落分析顯示硫氧化菌Tumebacillus（7.31%）和Desulfobulbaceae（3.06%）富集，證實(shí)SMFC驅(qū)動(dòng)了生物硫氧化過程。  

 

研究目的

 

闡明SMFC中硫氧化過程對(duì)沉積物磷釋放的抑制機(jī)制，驗(yàn)證硫氧化菌在鐵-硫-磷循環(huán)中的作用。  

 

研究思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

采集太湖梅梁灣沉積物，建立SMFC微宇宙系統(tǒng)（圖1）。  

 

設(shè)置SMFC組（含電極）與對(duì)照組（無電極），持續(xù)運(yùn)行300天。  

 

通過Rhizon采樣器原位監(jiān)測(cè)孔隙水化學(xué)指標(biāo)（P、Fe、S）。  

分析方法：  

 

使用丹麥Unisense微電極（OX-100, pH-500）測(cè)量沉積物-水界面（SWI）的pH和溶解氧（DO）梯度（圖2）。  

 

分析沉積物磷形態(tài)（BD-P、NaOH-P等）和硫形態(tài)（FeS、SO?2?）。  

 

高通量測(cè)序（16S rRNA）解析微生物群落結(jié)構(gòu)（圖7）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

上覆水與孔隙水磷濃度：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖3a（上覆水SRP）、圖3b-c（孔隙水SRP）。  

 

意義：SMFC組上覆水SRP峰值比對(duì)照組低58%（第270天），孔隙水SRP最大降幅達(dá)40%（第120天），證明SMFC抑制磷釋放。  

沉積物磷形態(tài)（BD-P）：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖3d（BD-P分布）。  

 

意義：SMFC組表層沉積物（0-1 cm）BD-P濃度（612.50 μg/g）比對(duì)照組高28%，表明鐵氧化物再形成吸附磷。  

硫與鐵動(dòng)態(tài)：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖4（SO?2?濃度）、圖5（Fe2?與SO?2?剖面）、圖6（FeS分布）。  

 

 

 

 

意義：SMFC組孔隙水SO?2?峰值達(dá)116 mg/L（第240天），F(xiàn)eS在陽(yáng)極附近減少，證實(shí)硫氧化促進(jìn)FeS溶解和Fe2?釋放。  

微生物群落：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖7（微生物組成）。  

 

意義：陽(yáng)極生物膜中硫氧化菌Tumebacillus（7.31%）和Desulfobulbaceae（3.06%）富集，驅(qū)動(dòng)生物硫氧化過程。  

 

結(jié)論

硫氧化核心作用：SMFC通過富集硫氧化菌（如Tumebacillus）氧化FeS，釋放Fe2?并向上擴(kuò)散至表層沉積物，氧化為Fe(III)后吸附磷形成BD-P。  

 

磷釋放抑制：SMFC使上覆水SRP峰值降低58%，表層沉積物BD-P增加28%，有效抑制磷釋放。  

 

機(jī)制創(chuàng)新：發(fā)現(xiàn)硫氧化過程是除傳統(tǒng)電化學(xué)遷移外，SMFC控磷的新途徑（圖8）。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

丹麥Unisense微電極（OX-100, pH-500）測(cè)量的pH與DO梯度具有以下核心研究意義：  

定位氧化還原梯度：  

 

DO測(cè)量（圖2c）顯示SMFC組上覆水DO（153.27 μmol/L）低于對(duì)照組（190.52 μmol/L），證實(shí)陰極氧消耗；距SWI 3.5 mm處DO降至0，界定缺氧區(qū)邊界。  

 

pH剖面（圖2b）顯示SMFC組沉積物pH低至4.32（深4 cm），而表層pH達(dá)7.82，揭示陽(yáng)極質(zhì)子積累與陰極堿化，驅(qū)動(dòng)Fe2?擴(kuò)散。  

關(guān)聯(lián)硫氧化過程：  

 

低pH區(qū)（陽(yáng)極附近）促進(jìn)FeS溶解（FeS + 2H? → Fe2? + H?S），釋放的Fe2?向上擴(kuò)散至高pH區(qū)（表層）氧化為Fe(III)，形成BD-P固磷。  

 

DO梯度證實(shí)表層為有氧區(qū)，支持化學(xué)氧化（Fe2? → Fe(III)）與硫氧化菌活性。  

驗(yàn)證機(jī)制假設(shè)：  

 

微電極數(shù)據(jù)直接支持"硫氧化→Fe2?釋放→擴(kuò)散→再氧化固磷"的假設(shè)（圖8），為微生物群落分析提供物化背景。