Electrode potential regulates phenol degradation pathways in oxygendiffused microbial electrochemical system

電極電位調節氧擴散微生物電化學系統中苯酚的降解途徑

來源：Chemical Engineering Journal 381 (2020) 122663

 

摘要核心發現

 

本研究揭示了電極電位在微氧擴散微生物電化學系統（MES）中對苯酚降解途徑的調控機制：

 

1.效率突破：

 

微氧條件（DO=282±20 μmol/L）下，+0.4 V電極電位使苯酚降解速率提升59%，降解時間縮短至66小時（圖3）；

 

2.代謝調控：

 

正電位（0~0.4 V）上調四條關鍵代謝途徑：苯甲酸CoA連接降解、丙酮酸代謝、乙醛酸-二羧酸代謝、糖酵解/糖異生（圖5）；

 

3.菌群協同：

 

電流刺激使生物膜中電活性菌（Geobacter） 與苯酚降解菌（PDB） 豐度同步提升（Geobacter從26%→33%，PDB從36%→46%）（圖4B）。

 

 

研究目的

 

1.解析電位-代謝關聯：

 

探究電極電位（-0.4~0.4 V vs. Ag/AgCl）如何調控苯酚降解中間產物及代謝通路；

2.驗證微氧協同效應：

 

明確微氧環境（vs. 嚴格厭氧）對電活性菌功能維持的作用；

3.優化毒性污染物處理：

 

為工業廢水中生物毒性物質（如苯酚）的高效降解提供新策略。

 

研究思路

 

1. 系統構建與條件控制

 

反應器設計：

 

三電極MES系統（工作電極：石墨棒；參比電極：Ag/AgCl），通過PTFE蓋微孔實現可控氧擴散（實驗部分）；

 

電位梯度實驗：

 

施加-0.4, -0.2, 0, 0.2, 0.4 V電位，對比苯酚降解動力學（圖3）；

 

對照組設置：

 

開電路（MO-OC）、嚴格厭氧（AN）、無菌對照（圖2）。

 

2. 多維度機制解析

 

電化學監測：

 

計時電流法（CA）記錄電流密度，循環伏安法（CV）分析電子轉移活性（圖1）；

 

微生物群落：

 

16S rRNA測序分析生物膜/懸浮液菌群結構（圖4）；

 

代謝產物追蹤：

 

GC-MS鑒定27種中間代謝物，KEGG通路富集分析（圖5-6）。

 

關鍵數據及研究意義

1. 電化學性能數據（圖1）

 

數據：

 

微氧系統（MO）電流密度穩定在4±0.2 A/m2，顯著高于厭氧系統（AN）（圖1A）；

 

CV曲線顯示MO系統氧化還原峰電流增強，表明電子轉移活性提升（圖1B）。

 

意義：

 

微氧環境維持電活性菌呼吸鏈功能，打破“氧氣抑制EAB”的傳統認知。

 

2. 苯酚降解動力學（圖2-3）

 

數據：

 

微氧+0.4 V電位：66小時完全降解苯酚，速率達4.3 mg/h（圖3）；

 

厭氧系統：90小時降解率僅48±8%（圖2）。

 

意義：

 

微氧與正電位協同解決厭氧降解瓶頸，為高毒性廢水處理提供高效路徑。

 

3. 菌群結構與功能（圖4）

 

數據：

 

0 V電位下Geobacter在生物膜中占比33%（vs. 開電路0.9%）；

 

PDB（如Acinetobacter, Pseudomonas）豐度提升至46%（圖4B）。

 

意義：

 

電極電位驅動電活性菌與降解菌共生，揭示生物膜內跨界協同新機制。

 

4. 代謝通路調控（圖5-6）

 

數據：

 

0 V電位：乙酸積累量增加（糖酵解通路上調）；

 

-0.2 V電位：甲酸生成增強（乙醛酸代謝主導）（圖6）。

 

意義：

 

電位精準調控碳流向，為定向生成高值中間體提供理論依據。

 

丹麥Unisense電極的核心價值

技術原理

 

原位動態監測：

 

采用DO微傳感器（型號MM-Meter）實時監測溶解氧（DO）空間分布（實驗部分）；

 

雙參數關聯：

 

同步記錄DO與氧化還原電位（ORP），揭示氧-電位協同效應（結果3.1節）。

 

關鍵發現

 

1.微氧區形成機制：

 

Unisense數據顯示：電極表面DO=0 μmol/L（ORP=-370 mV），而懸浮液DO升至247 μmol/L（ORP=110 mV），證實生物膜內維持厭氧微環境（結果3.1節）；

2.氧擴散動力學：

 

DO消耗速率（15小時降至0）與苯酚降解初期速率正相關，解釋降解效率差異（圖2 vs. 圖3）；

3.系統穩定性預警：

 

53小時DO突增預示ORP躍變（-244→110 mV），提前預警代謝途徑切換（好氧途徑激活）。

 

不可替代性

 

 

傳統方法局限：

 

離線DO檢測無法捕捉瞬態氧波動，破壞系統密封性；

 

Unisense優勢：

 

秒級響應與空間分辨能力首次揭示MES中氧梯度分布，為“微氧不抑制EAB”提供直接證據。

 

結論

 

1.電位-代謝耦合機制：

 

正電位（>0 V）通過上調四條核心代謝通路，將苯酚降解速率提升59%；

2.微氧-電活性菌共生：

 

氧擴散形成厭氧/好氧分區，Geobacter在電極表面厭氧區維持電子傳遞功能；

3.Unisense電極價值：

 

其原位氧監測能力是解析“電位-氧”協同效應的關鍵，推動MES向復雜廢水處理拓展。

 

應用方向：該策略可推廣至氯酚、硝基苯等難降解污染物處理，Unisense技術為優化反應器氧調控參數提供工具支撐。

 

圖示關聯：

 

 

圖1：電化學性能（CA/CV曲線）

 

圖2：微氧vs.厭氧降解效率對比

 

圖3：電位梯度對苯酚降解的影響

 

圖4：菌群結構（Geobacter/PDB豐度）

 

圖5：代謝通路上調分析（0 V vs. -0.2 V）

 

圖6：電位特異性代謝產物調控