Comprehensive performance, bacterial community structure of single-chamber microbial fuel cell affected by COD/N ratio and physiological stratifications in cathode biofilm  

COD/N比對單室微生物燃料電池綜合性能及陰極生物膜生理分層的影響  

來源：Bioresource Technology, Volume 320, 2021, Article Number 124416  

《生物資源技術》，第320卷，2021年，文章編號124416  

 

摘要內容  

本研究通過預富集硝化菌的單室微生物燃料電池（MFC）處理不同化學需氧量/氮比（COD/N）的含銨廢水，并分析陰極生物膜的生理分層。結果表明：低COD/N比（2/1-8/1）廢水處理時NH??-N和總無機氮（TIN）去除率更高（R5達71.9 mg/L），但COD去除穩定性較差；高COD/N比（16/1）廢水COD去除更徹底（17.49 mg/L）。NH??顯著提升電化學性能（R5最大功率密度達1232.54 mW/m2），陽極菌群以Geobacter為主導（占比64-67%）且不受COD/N影響，而陰極菌群結構復雜且對COD/N敏感。  

 

研究目的  

探究COD/N比對單室MFC污染物去除效率、電化學性能及電極生物膜菌群結構的影響，并解析陰極生物膜內硝化/反硝化菌的空間分布規律。  

 

研究思路  

1. 實驗設計：構建5組預富集硝化菌的單室MFC（R1-R5），分別處理COD/N比為∞（無NH??）、16/1、8/1、4/1、2/1的廢水。  

2. 長期運行監測：  

   ? 電化學性能（電壓、功率密度）  

 

   ? 污染物去除（COD、NH??-N、TIN）  

 

   ? 出水pH變化  

 

3. 菌群解析：高通量測序分析陽極/陰極生物膜菌群結構。  

4. 分層表征：  

   ? 熒光原位雜交（FISH）定量陰極生物膜硝化/反硝化菌垂向分布  

 

   ? Unisense微電極測量pH微剖面  

 

測量數據及研究意義  

1. 電化學性能（圖1）  

 

   ? 數據：低COD/N組（R5）最大功率密度（1232.54 mW/m2）比無氮組（R1, 790.13 mW/m2）高56%，內阻降低44%（95.85 Ω vs 171.03 Ω）。  

 

   ? 意義：證實NH??通過降低電荷轉移阻力和提升廢水導電性增強電化學性能。  

 

2. 污染物去除（圖2-3）  

 

 

   ? 數據：  

 

     ? NH??-N去除量：R2(42.28 mg/L) < R5(71.91 mg/L)  

 

     ? COD殘留量：R1(17.49 mg/L) < R5(98.48 mg/L)  

 

     ? 極化實驗后氮去除恢復時間：R5(13批) > R2(7批)  

 

   ? 意義：低COD/N促進硝化但抑制反硝化（碳源不足），導致NO??/NO??積累；高COD/N系統抗干擾能力更強。  

 

3. 菌群結構（圖5, 表1）  

 

 

   ? 數據：  

 

     ? 陽極：Geobacter占比穩定（64-67%），Lentimicrobium豐度隨COD/N降低而升高（R1:0.19% → R5:6.48%）  

 

     ? 陰極：反硝化菌（Petrimonas, Dechlorobacter）在低COD/N下豐度降低，硝化菌（Nitrosomonas）隨NH??濃度增加而富集  

 

   ? 意義：COD/N顯著改變陰極菌群多樣性（Shannon指數R3:7.19 > R5:6.52），但陽極菌群結構穩定。  

 

4. 陰極生物膜分層（圖6）  

 

 

   ? 數據：  

 

     ? FISH顯示反硝化菌熒光強度（Cy3）隨生物膜深度增加而衰減（R5衰減幅度最大）  

 

     ? Unisense微電極測R3生物膜pH：表層7.05 → 深層（>200μm）升至7.30  

 

   ? 意義：揭示O?梯度與pH分布驅動菌群空間異質性——表層反硝化菌主導，深層OH?積累抑制反硝化菌。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細意義  

Unisense pH微電極（精度±0.01）用于原位測量陰極生物膜微剖面（圖6F）：  

1. 數據：  

   ? 生物膜表層（0-200μm）pH=7.05（反硝化產酸區）  

 

   ? 深層（>200μm）pH升至7.30（O?還原產OH?累積區）  

 

2. 研究意義：  

   ? 揭示生化反應分區：直接驗證陰極附近OH?積累現象（Eq.2），解釋高pH環境對反硝化菌的抑制機制。  

 

   ? 關聯菌群分布：pH梯度與FISH數據耦合，證實深層高pH區域反硝化菌豐度衰減（R5衰減率最高達45%）。  

 

   ? 優化MFC設計：為調控生物膜厚度/結構以平衡硝化-反硝化提供理論依據（如控制膜厚<200μm可避免OH?過度累積）。  

 

結論  

1. COD/N的權衡效應：  

   ? 低COD/N（2/1-4/1）提升NH??-N去除（71.9 mg/L）和功率密度（1232 mW/m2），但COD殘留高（98.5 mg/L）且恢復能力差。  

 

   ? 高COD/N（16/1）保障COD徹底去除（17.5 mg/L）及運行穩定性。  

 

2. 菌群響應機制：  

   ? 陽極菌群以Geobacter為核心（>64%），抗NH??抑制；陰極菌群多樣性受COD/N調控，低COD/N下反硝化菌豐度降低。  

 

3. 陰極生物膜分層：  

   ? 反硝化菌富集于生物膜表層（O?充足區），隨深度增加豐度衰減（深層高pH抑制）；  

 

   ? 硝化菌全層分布，不受pH梯度影響。  

 

4. 應用指導：處理低C/N廢水時需補充碳源或采用連續流模式以平衡脫氮與產能。