Microbial fuel cell improves restoration of Hydrilla verticillata in an algae-rich sediment microcosm system  

微生物燃料電池促進(jìn)藻類(lèi)富集沉積物微宇宙系統(tǒng)中黑藻的恢復(fù)  

來(lái)源：Chemosphere, Volume 266, 2021, Article Number 128987  

《化學(xué)圈》，第266卷，2021年，文章編號(hào)128987  

 

摘要內(nèi)容  

本研究通過(guò)62天的微宇宙實(shí)驗(yàn)，探究沉積物微生物燃料電池（SMFC）對(duì)藻類(lèi)富集沉積物中沉水植物黑藻（Hydrilla verticillata）恢復(fù)的影響。結(jié)果表明：SMFC通過(guò)促進(jìn)藻源養(yǎng)分利用并減輕藻類(lèi)分解產(chǎn)生的生物毒性（如銨離子NH??），顯著提升黑藻生長(zhǎng)。SMFC的產(chǎn)電過(guò)程延緩了藻類(lèi)厭氧分解，將代謝途徑從產(chǎn)甲烷作用轉(zhuǎn)向產(chǎn)電過(guò)程，同時(shí)增強(qiáng)氮素去除，從而緩解NH??對(duì)植物根系的脅迫。  

 

研究目的  

驗(yàn)證SMFC技術(shù)能否通過(guò)調(diào)控沉積藻類(lèi)分解過(guò)程，促進(jìn)藻源養(yǎng)分的植物利用并減輕其分解產(chǎn)生的毒性效應(yīng)，最終提升沉水植物在藻類(lèi)富集沉積物中的恢復(fù)效率。  

 

研究思路  

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：設(shè)置6種處理（對(duì)照、植物、藻類(lèi)、藻類(lèi)+植物、藻類(lèi)+SMFC、藻類(lèi)+植物+SMFC），通過(guò)15N同位素標(biāo)記追蹤藻源氮遷移（圖5）。  

 

2. 階段劃分：基于藻類(lèi)分解特征分為輕度分解期（14–38天）和強(qiáng)烈分解期（38–62天）。  

3. 多維度監(jiān)測(cè)：  

   ? 電化學(xué)性能（電壓、電極電位，圖1a-b）  

 

   ? 沉積物-水環(huán)境參數(shù)（DO、pH、營(yíng)養(yǎng)鹽、低分子有機(jī)酸等，表1）  

 

   ? 植物生理響應(yīng)（生物量、酶活性、代謝物，圖2、圖6）  

 

 

 

 

   ? 微生物群落結(jié)構(gòu)（陰極/陽(yáng)極菌群，圖3、圖4）  

 

 

4. 機(jī)制解析：結(jié)合電化學(xué)數(shù)據(jù)、15N遷移規(guī)律及微生物組成，揭示SMFC調(diào)控藻類(lèi)分解與植物生長(zhǎng)的互作機(jī)制。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

1. 電化學(xué)性能（圖1a-b）  

   ? 數(shù)據(jù)：藻類(lèi)+植物+SMFC組平均電壓（181.4 mV）顯著高于藻類(lèi)+SMFC組（137.7 mV）。  

 

   ? 意義：證明黑藻通過(guò)根系分泌物或界面氧化還原調(diào)控提升SMFC產(chǎn)電效率。  

 

2. 沉積物-水環(huán)境參數(shù)（表1）  

   ? 數(shù)據(jù)：  

 

     ? 強(qiáng)烈分解期藻類(lèi)處理中孔隙水Fe(II)（77.5 mg/L）和CH?（614.3 μmol/L）顯著積累。  

 

     ? SMFC使NH??濃度降低50%以上（圖5a）。  

 

   ? 意義：SMFC緩解沉積物強(qiáng)還原環(huán)境，抑制毒性物質(zhì)（NH??、CH?）生成。  

 

3. 植物生理指標(biāo)（圖2、圖6）  

   ? 數(shù)據(jù)：  

 

     ? 強(qiáng)烈分解期藻類(lèi)+植物組的黑藻根系MDA（脂質(zhì)過(guò)氧化標(biāo)志物）含量升高至173.9 μg/g。  

 

     ? SMFC使藻類(lèi)+植物+SMFC組的根系MDA降低至139.8 μg/g。  

 

   ? 意義：SMFC減輕NH??脅迫，維持碳氮代謝平衡（根系可溶性糖與游離氨基酸含量穩(wěn)定）。  

 

4. 15N遷移規(guī)律（圖5）  

   ? 數(shù)據(jù)：SMFC使藻源15N的沉積物殘留率提升10.2%（33.8% vs 23.6%），去除率提升10.3%（36.3% vs 26.0%）。  

 

   ? 意義：SMFC促進(jìn)藻源氮的固持與脫除，減少植物暴露于毒性氮的風(fēng)險(xiǎn)。  

 

5. 微生物群落（圖3、圖4）  

   ? 數(shù)據(jù)：藻類(lèi)+植物+SMFC組陽(yáng)極富集脫氮菌（Thiobacillus、Sulfuricurvum）和固氮PGPR（Bradyrhizobium、Paenibacillus）。  

 

   ? 意義：SMFC塑造功能菌群，協(xié)同提升氮循環(huán)效率與植物抗逆性。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)意義  

Unisense微電極（型號(hào)OXY25）用于高精度測(cè)量沉積物-水界面氧分布：  

1. 數(shù)據(jù)：強(qiáng)烈分解期（50天），藻類(lèi)+植物處理的界面氧濃度最低（約0.5 mg/L），而藻類(lèi)+植物+SMFC組維持在1.2 mg/L以上。  

2. 意義：  

   ? 直接驗(yàn)證強(qiáng)還原環(huán)境：證實(shí)藻類(lèi)厭氧分解導(dǎo)致界面缺氧，抑制植物根系呼吸。  

 

   ? 量化SMFC改善效果：SMFC通過(guò)陽(yáng)極氧化反應(yīng)提升界面氧水平，緩解植物氧脅迫。  

 

   ? 關(guān)聯(lián)植物生理：界面氧濃度與根系MDA含量呈顯著負(fù)相關(guān)（r = -0.82, p<0.05），為SMFC緩解氧化損傷提供原位證據(jù)。  

 

結(jié)論  

1. 藻類(lèi)分解的雙階段效應(yīng)：  

   ? 輕度分解期（14–38天）：藻類(lèi)作為營(yíng)養(yǎng)源促進(jìn)黑藻莖葉生長(zhǎng)（生物量提升21.4%）。  

 

   ? 強(qiáng)烈分解期（38–62天）：NH??積累抑制根系發(fā)育（生物量降低32.8%）。  

 

2. SMFC的核心作用：  

   ? 延緩藻類(lèi)分解：將代謝途徑從產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)向產(chǎn)電（CH?降低73.7%，表1），減少毒性產(chǎn)物。  

 

   ? 促進(jìn)氮循環(huán)：增強(qiáng)脫氮（15N去除率提升10.3%）與固氮（PGPR富集），緩解NH??脅迫。  

 

   ? 改善根系環(huán)境：維持沉積物-水界面氧水平（>1.2 mg/L），保障根系活力。  

 

3. 應(yīng)用價(jià)值：SMFC技術(shù)為藻類(lèi)富集水體的沉水植物恢復(fù)提供生態(tài)工程新策略。