Anode biofilm influence on the toxic response of microbial fuel cells under different operating conditions  

不同操作條件下陽極生物膜對微生物燃料電池毒性響應的影響  

來源：Science of the Total Environment, 775 (2021) 145048

《整體環境科學》第775卷 2021年 文章編號145048

 

摘要內容：  

研究揭示了微生物燃料電池（MFC）的毒性響應受陽極生物膜特性（如結構、微生物群落）的顯著影響，并通過調控流速（0.5–5 mL/min）和培養時間（7–90天）探究其機制。結果表明：  

1. 流速影響：2 mL/min流速下毒性響應最快（抑制率45.1%±5.3%），因生物膜薄且均勻（圖4c），Geobacter豐度高（57%），氧化還原電位（ORP）變化顯著（-159.2 mV→-269.9 mV）（圖4a）。  

 

2. 培養時間影響：7天培養的MFC響應最敏感（抑制率45.1%），90天后響應延遲（抑制率降至23.2%）因生物膜增厚（圖4h）及產甲烷菌增多（表2）。  

 

3. 核心機制：Unisense微電極證實生物膜內ORP梯度與電子傳遞效率直接相關（圖4a,e），EPS組分（蛋白質/多糖比）影響毒素擴散速率（圖5）。  

 

研究目的：  

1. 揭示流速與培養時間對MFC毒性響應靈敏度的影響機制  

2. 明確陽極生物膜特性（微生物群落、ORP梯度、EPS）與毒性響應的關聯  

3. 優化MFC生物傳感器操作參數以提升實際應用性能  

 

研究思路：  

1. 實驗設計：構建雙室MFC，對比不同流速（0.5/2/5 mL/min）和培養時間（7/45/90天）下的毒性響應（以2,4-二氯苯酚為模型毒物）。  

2. 多參數監測：  

   ? 電化學性能：電壓抑制率（圖1a-c）、功率密度（圖2a-b）  

 

 

   ? 生物膜特性：微生物群落（圖2c、表2）、ORP微剖面（Unisense電極，圖4a,e）、EPS組分（蛋白質/多糖/DNA，圖5）  

 

   ? 形貌分析：CLSM生物膜成像（圖4b-d,f-h）  

 

3. 機制驗證：關聯ORP梯度變化與Geobacter豐度（圖4a vs 表2），闡明EPS對毒素擴散的屏障效應（圖5）。  

 

測量數據及其研究意義：  

1. 電壓抑制率（圖1c）  

   ? 數據：2 mL/min流速下抑制率最高（45.1%±5.3%），0.5 mL/min時僅8.4%±1.6%  

 

   ? 意義：證實中等流速（2 mL/min）優化基質傳遞與生物膜結構，提升響應靈敏度  

 

2. 功率密度（圖2a-b）  

   ? 數據：2 mL/min時功率密度達1137.0±65.5 mW/m2，90天降至950.8±125.1 mW/m2  

 

   ? 意義：高功率密度對應高效電子傳遞，與Geobacter豐度正相關（表2）  

 

3. 微生物群落（圖2c, 表2）  

   ? 數據：2 mL/min時Geobacter相對豐度57%（0.5 mL/min時為50%），90天時降至36%  

 

   ? 意義：Geobacter主導直接電子傳遞，其豐度決定毒性響應速度；產甲烷菌（Methanosarcina）增殖（90天達53%）降低靈敏度  

 

4. ORP微剖面（圖4a,e）  

   ? 數據：2 mL/min時200μm生物膜內ORP降幅達110 mV（-159.2→-269.9 mV），90天時僅19.1 mV  

 

   ? 意義：ORP梯度反映生物膜內電子傳遞活性，陡峭梯度（7天）對應快速響應  

 

5. EPS組分（圖5）  

   ? 數據：7天培養時蛋白質/多糖比1.4（90天降至1.2），多糖含量最低（45.4 mg/g）  

 

   ? 意義：低多糖含量減少毒素擴散屏障，高蛋白比例增強電子傳遞  

 

結論：  

1. 最佳操作參數：流速2 mL/min + 7天培養時MFC毒性響應最快（抑制率45.1%），因薄生物膜（圖4c）、高Geobacter豐度（57%）、顯著ORP梯度（110 mV變化）。  

2. 生物膜特性核心作用：ORP梯度（圖4a,e）和EPS組分（圖5）共同調控毒素擴散與電子傳遞效率，直接決定響應靈敏度。  

3. 長期運行弊端：培養時間＞45天導致生物膜增厚（圖4h）、產甲烷菌增殖（表2），降低響應速度與抑制率。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

使用Unisense RD10-9145 ORP微電極以10μm步長掃描生物膜剖面（圖4a,e）：  

1. 揭示生物膜內氧化還原梯度：首次量化200μm厚度內ORP從-159.2 mV（近電極）降至-269.9 mV（遠電極），證明電子傳遞的空間異質性（圖4a）。  

2. 關聯微生物活性與響應速度：陡峭ORP梯度（7天降110 mV）對應高Geobacter豐度（57%）和快速毒性響應（4小時），為"薄生物膜高效響應"提供電化學證據（圖4e vs 表2）。  

3. 驗證流速影響機制：2 mL/min時ORP變化最劇烈（降幅110 mV），解釋其中等流速下最優性能（對比0.5/5 mL/min僅48/29 mV變化）。  

4. 技術優勢：微米級分辨率克服傳統電極的空間局限，原位捕捉生物膜內代謝微環境動態，為優化MFC傳感器設計提供關鍵參數。