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)富藻沉積物微宇宙系統(tǒng)中黑藻的恢復(fù)  

來源：Chemosphere 266 (2021) 128987

《化學(xué)圈》第266卷（2021年）文章編號(hào)128987

 

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出沉積的藻類可為沉水植物提供養(yǎng)分，但其深層厭氧分解會(huì)抑制植物生長。沉積物微生物燃料電池（SMFC）可能促進(jìn)藻源養(yǎng)分的利用并減輕其對(duì)黑藻（Hydrilla verticillata）的生物毒性。通過62天的微宇宙實(shí)驗(yàn)（設(shè)置開路SMFC對(duì)照、植物、藻類、藻類+植物、藻類+SMFC、藻類+植物+SMFC六組），研究發(fā)現(xiàn)：1）黑藻的存在提升了SMFC產(chǎn)電性能（圖1a）；2）產(chǎn)電過程通過改變?cè)孱惤到馔緩剑◤囊宜崃呀猱a(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)向電化學(xué)還原）延緩藻分解（表1 CH?數(shù)據(jù)）；3）在藻類緩慢分解期（14-38天），SMFC促進(jìn)藻源無機(jī)碳和銨鹽向植物地上部分傳輸，提升黑藻生物量52.3%（圖2）；4）在快速分解期（38-62天），SMFC減輕藻源銨鹽（NH??）對(duì)根系的毒性脅迫（圖6d-f），使沉積藻類成為穩(wěn)定的植物營養(yǎng)源。  

 

 

 

 

 

 

研究目的：  

1. 探究產(chǎn)電作用（electrogenesis）對(duì)沉積藻類分解過程的影響  

2. 評(píng)估SMFC能否通過調(diào)控藻源養(yǎng)分利用和毒性緩解促進(jìn)沉水植物黑藻的恢復(fù)  

 

研究思路：  

1. 構(gòu)建六組沉積物微宇宙系統(tǒng)：開路SMFC（對(duì)照）、植物（開路SMFC+黑藻）、藻類（開路SMFC+藻）、藻類+植物（開路SMFC+藻+黑藻）、藻類+SMFC（閉路SMFC+藻）、藻類+植物+SMFC（閉路SMFC+藻+黑藻）  

2. 注入1?N標(biāo)記藻類追蹤氮遷移（圖5）  

 

3. 監(jiān)測62天內(nèi)電壓/電流（圖1）、孔隙水化學(xué)（表1）、植物生理（圖6）及微生物群落（圖3-4）  

 

 

4. 分析藻分解兩階段（緩慢期14-38天 vs 快速期38-62天）中SMFC與植物的互作機(jī)制  

 

測量數(shù)據(jù)、來源及研究意義：  

1. 電化學(xué)數(shù)據(jù)（圖1）  

   ? 測量內(nèi)容：閉路電壓、陽極/陰極電位  

 

   ? 來源：圖1a（電壓）、圖1b（電極電位）  

 

   ? 意義：量化SMFC產(chǎn)電性能，揭示黑藻通過維持高陰極電位提升產(chǎn)電（平均電壓181.4 mV vs 137.7 mV），且與藻分解階段相關(guān)  

 

2. 沉積物孔隙水指標(biāo)（表1）  

   ? 測量內(nèi)容：Fe(II)、SO?2?、CH?、乙酸、草酸濃度  

 

   ? 來源：表1（多時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)）  

 

   ? 意義：證明SMFC將藻降解途徑從產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)向硫/鐵循環(huán)（CH?降低56.3%，F(xiàn)e(II)/SO?2?升高），減少毒性產(chǎn)物積累  

 

3. 1?N遷移軌跡（圖5）  

   ? 測量內(nèi)容：藻源氮在固相（沉積物）、液相（NH??/NO??/DON）、植物組織的分配  

 

   ? 來源：圖5a-f  

 

   ? 意義：揭示SMFC促進(jìn)藻源氮向植物遷移（根區(qū)1?N吸收率提升），并通過厭氧氨氧化菌（如Candidatus Brocadia）強(qiáng)化脫氮  

 

4. 植物生理響應(yīng)（圖6）  

   ? 測量內(nèi)容：MDA（膜損傷標(biāo)志）、SOD/POD（抗氧化酶）、游離氨基酸（FAA）、可溶性糖（SC）  

 

   ? 來源：圖6a-g  

 

   ? 意義：表明SMFC緩解快速分解期NH??脅迫（根區(qū)FAA降低，SC升高），維持碳氮代謝平衡  

 

5. 微生物群落（圖3-4）  

   ? 測量內(nèi)容：陽極/陰極菌群結(jié)構(gòu)（屬水平）  

 

   ? 來源：圖3（陰極菌群）、圖4（陽極菌群）  

 

   ? 意義：發(fā)現(xiàn)SMFC富集電活性菌（Rhodobacter）、脫氮菌（Denitratisoma）及根際促生菌（PGPRs如Bradyrhizobium），協(xié)同優(yōu)化養(yǎng)分循環(huán)  

 

結(jié)論：  

1. 藻類緩慢分解期：SMFC提升藻源溶解性無機(jī)碳（DIC）和NH??向黑藻地上部分傳輸，促進(jìn)光合碳同化，生物量增加52.3%  

2. 藻類快速分解期：SMFC通過硫/鐵循環(huán)（富集Thiobacillus等）將代謝途徑從產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)向產(chǎn)電，延遲藻分解并減少NH??積累，減輕根系毒性  

3. 微生物互作：SMFC增強(qiáng)根際固氮能力（PGPRs富集），促使沉積藻類從"毒素源"轉(zhuǎn)化為"穩(wěn)定營養(yǎng)源"，植物生物量較對(duì)照組提升90.1%  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

1. OXY25穿刺氧電極  

   ? 技術(shù)特點(diǎn)：25μm尖端直徑，4cm垂直剖面分辨率  

 

   ? 研究意義：精準(zhǔn)量化沉積物-水界面氧梯度，揭示黑藻根系泌氧（ROL）特征。數(shù)據(jù)顯示黑藻ROL較弱（相比狐尾藻），避免陽極電位損失，解釋其促進(jìn)SMFC產(chǎn)電的機(jī)制（圖1b陰極電位差異）。  

 

2. 孔隙水Fe(II)動(dòng)態(tài)監(jiān)測（Table 1）  

   ? 技術(shù)特點(diǎn)：鄰菲羅啉分光光度法，高時(shí)空分辨率孔隙水采樣  

 

   ? 研究意義：證實(shí)SMFC通過鐵循環(huán)介導(dǎo)電子傳遞——藻類降解產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)Fe(II)生成（藻+SMFC組Fe(II)達(dá)93.5 mg/L），F(xiàn)e(II)作為電子穿梭體將電子傳遞至陽極，促進(jìn)電流產(chǎn)生（與圖1a電壓上升階段同步）。  

 

3. 界面氧通量關(guān)聯(lián)分析  

   ? 技術(shù)應(yīng)用：結(jié)合氧剖面與沉積物耗氧量（SOC）模型  

 

   ? 研究意義：闡明SMFC未顯著改變總有機(jī)質(zhì)礦化率，但通過界面氧通量提升（陰極區(qū)氧還原）緩解沉積物厭氧程度，減輕黑藻根系脅迫（支持圖6中SOD/POD活性變化）。