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

COD/N比及陰極生物膜生理分層對單室微生物燃料電池綜合性能和菌群結構的影響  

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

《生物資源技術》第320卷，2021年，文章編號124416  

 

摘要內容：  

摘要闡述了單室微生物燃料電池（MFC）處理不同COD/N比（16:1至2:1）含銨廢水的性能差異。研究發現：低COD/N比（如2:1）提升NH??去除率（71.9 mg/L）和最大功率密度（1232 mW/m2），但縮短產電周期并導致COD殘留（98.5 mg/L）；高COD/N比（如16:1）實現更穩定的COD去除（殘留28.95 mg/L）。陽極菌群以Geobacter為主（占比~65%）且不受COD/N影響，陰極菌群結構則隨COD/N降低顯著變化，反硝化菌Lentimicrobium豐度升至14.93%。通過Unisense pH微電極和FISH技術，首次揭示陰極生物膜內反硝化菌豐度隨深度增加衰減60%，深層區域（>200μm）因OH?積累形成高pH（7.3）微環境。  

 

研究目的：  

1. 比較不同COD/N比廢水對單室MFC污染物去除（NH??、TIN、COD）及電化學性能的影響  

2. 解析COD/N比變化對陽極/陰極菌群結構的調控機制  

3. 探究陰極生物膜內pH梯度及硝化/反硝化菌的空間分布規律  

 

研究思路：  

1. 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. 監測長期運行中的輸出電壓（圖1A）、功率密度（圖1B）及污染物去除動態（圖2-4）  

 

 

 

 

 

3. 高通量測序分析陽極/陰極菌群結構（圖5，表1）  

 

 

4. 采用Unisense pH微電極測量陰極生物膜pH剖面（圖6F）  

 

 

 

 

5. FISH技術定量硝化菌（FAM標記）和反硝化菌（Cy3標記）在生物膜深度的分布（圖6A-E）  

 

測量數據、來源及研究意義：  

1. 電化學性能（圖1B）  

   ? 數據：R5（COD/N=2:1）最大功率密度1232.54 mW/m2（較R1提升56%），內阻降至95.85 Ω  

 

   ? 來源：圖1B（功率密度曲線）  

 

   ? 意義：證實NH??通過降低系統內阻（質子消耗、導電性增強）顯著提升電化學性能  

 

2. 污染物去除（圖2-4）  

   ? 數據：R5的NH??平均去除量71.9 mg/L（R2僅42.3 mg/L），但COD殘留98.5 mg/L；極化實驗后氮去除需7-13批次恢復  

 

   ? 來源：圖2（NH??/TIN去除）、圖3（COD去除）、圖4（出水pH）  

 

   ? 意義：揭示低COD/N比系統因碳源不足導致反硝化不徹底（NO??積累），且恢復周期隨NH??濃度增加延長  

 

3. 菌群結構（圖5，表1）  

   ? 數據：陽極Geobacter占比穩定~65%；陰極R5中反硝化菌Lentimicrobium豐度達14.93%（R1僅0.37%）  

 

   ? 來源：圖5B（屬水平群落）、表1（Chao1/Shannon指數）  

 

   ? 意義：表明陽極菌群抗COD/N擾動，陰極菌群敏感且低COD/N比促進反硝化菌富集  

 

4. 反應時序（圖1A, 2）  

   ? 數據：單批次內電子傳遞（0-6h）→硝化（6-30h）→反硝化（>30h）順序進行  

 

   ? 來源：圖1A（電壓曲線）、圖2（NH??去除動態）  

 

   ? 意義：解釋高COD殘留機制（反硝化與產電競爭碳源）  

 

結論：  

1. 性能權衡：低COD/N比（2:1）提升NH??去除率和功率密度，但犧牲COD去除率及系統穩定性  

2. 菌群響應：陽極Geobacter不受COD/N影響；陰極反硝化菌（Lentimicrobium）在低COD/N比富集  

3. 生物膜分層：陰極膜深層（>200μm）高pH（7.3）抑制反硝化菌，形成硝化菌優勢區  

4. 工程啟示：高COD/N比廢水（如16:1）更適合單室MFC處理以實現穩定COD去除  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

1. pH微電極原位剖面（圖6F）  

   ? 技術：Unisense pH微電極（50μm步進）穿透R3陰極生物膜  

 

   ? 發現：  

 

     ? 0-200μm深度：pH從7.3降至7.05（反硝化產酸主導）  

 

     ? 200-500μm深度：pH回升至7.3（OH?積累區）  

 

     ? >500μm深度：pH再度下降（硝化菌耗堿）  

 

   ? 意義：首次揭示陰極膜內非線性pH梯度，證實質量傳遞阻力導致深層OH?積累，直接解釋反硝化菌衰減機制  

 

2. 與FISH數據關聯（圖6C-E）  

   ? 數據：R3陰極膜0-1000μm深度Cy3（反硝化菌）強度從65.45降至43.01  

 

   ? 關聯：pH>7.2區域（>200μm）對應反硝化菌豐度下降35%  

 

   ? 意義：建立pH-菌群分布定量關系，推翻"嚴格分層"假說，證實硝化/反硝化菌全深度共存  

 

3. 技術優勢  

   ? 高空間分辨率（50μm）捕捉生物膜微環境異質性  

 

   ? 避免傳統破壞性取樣誤差，為生物膜調控提供原位依據