Insight into a single-chamber air-cathode microbial fuel cell for nitrate removal and ecological roles  

單室空氣陰極微生物燃料電池脫氮性能及生態作用的深入解析  

來源：Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Volume 12, 2024, Article 1397294

《生物工程與生物技術前沿》期刊2024年第12卷，文章編號1397294  

 

摘要內容：  

該研究構建了可拆卸模塊化設計的單室空氣陰極反硝化微生物燃料電池（DNMFC），探究了其對硝酸鹽的去除效率及功能微生物的生態作用。研究發現：在COD/NO??-N=7時，56.6%的COD用于異養反硝化，庫侖效率從38.0%降至16.5%；生物反硝化去除92.3%的硝酸鹽，剩余部分通過陰極電化學反硝化去除。硝酸鹽作為電子受體消耗16.7%的電子，其余電子被氧氣接受。微生物群落分析表明：兼具電活性和反硝化能力的雙功能菌（如假單胞菌）分布于整個反應器，主導脫氮與電子傳遞；電活性菌主要富集于陽極生物膜，厭氧反硝化菌附著于反應器壁，兼性厭氧反硝化菌分布于器壁和陰極。  

 

研究目的：  

量化DNMFC中營養物（COD、硝酸鹽）分布與電子傳遞路徑。  

 

闡明功能微生物（反硝化菌、電活性菌、雙功能菌）的空間分布與生態貢獻。  

 

為含氮廢水高效處理提供理論依據。  

 

研究思路：  

反應器設計：構建可拆卸單室DNMFC（工作體積30 mL），碳布陽極/Pt-C陰極（圖1）。  

 

運行與測試：  

 

對比處理含NH??/NO??廢水，分析電壓、COD去除、脫氮效率（圖2）。  

 

量化不同COD/NO??-N比（7~3）下電子分配：庫侖效率（CE）、電子轉移效率（ETE）。  

 

拆解模塊分析雙室系統（DC-DNMFC）的脫氮路徑（圖3）。  

微生物分析：  

 

SEM/CLSM觀察生物膜形態。  

 

16S rDNA測序分析電極/器壁生物膜的群落結構（圖4）。  

 

溶解氧監測：使用丹麥Unisense微電極測量陰陽極室溶解氧（DO）。  

 

測量的數據及研究意義

電化學性能數據：電壓輸出、極化曲線、功率密度（圖2A-F）。意義：量化DNMFC的產電穩定性（最大功率密度58.2 W/m3）及硝酸鹽對循環時間的縮短效應（含NO??時循環時間縮短50%）。來源圖2。  

 

營養物分布數據：  

 

COD消耗：56.6%用于異養反硝化，43.4%用于產電（圖3D）。  

 

NO??去除：92.3%通過生物反硝化，7.7%通過電化學還原（圖3A）。  

 

   意義：首次量化DNMFC中電子受體競爭關系（O?占電子消耗83.3%，NO??占16.7%）。來源圖3。  

微生物群落數據：  

 

陽極生物膜：固氮弓菌屬（Azonexus，33.1%）主導（圖4C）。  

 

陰極生物膜：假單胞菌（Pseudomonas，49.6%）主導（圖4C）。  

 

器壁生物膜：反硝化菌（Azonexus）富集。  

 

   意義：揭示空間分布規律——雙功能菌全域分布，厭氧菌受限陽極區，兼性菌擴散至陰極。來源圖4、圖5。  

 

溶解氧數據：Unisense微電極測得陽極室DO<0.1 mg/L，陰極室DO=1.8 mg/L。意義：解釋硝化缺失原因，驗證陰極微好氧環境促進假單胞菌富集。來源文本2.3節。  

 

結論：  

脫氮路徑創新：DNMFC以異養反硝化為主（92.3% NO??去除），電化學還原為輔（7.7%）；氧氣是主要電子受體（消耗83.3%電子），硝酸鹽僅消耗16.7%。  

 

微生物分工機制：  

 

雙功能菌（假單胞菌）：全域分布，同步執行脫氮與電子傳遞。  

 

厭氧反硝化菌（固氮弓菌屬）：富集陽極區，依賴嚴格厭氧環境。  

 

兼性反硝化菌：擴散至器壁/陰極，利用微好氧條件。  

應用潛力：DNMFC在COD/NO??-N≥4時脫氮效率接近理論值（需C/N=3.5），且污泥產量低，適合低碳氮比廢水處理。  

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義：  

丹麥Unisense微電極（Clark型溶解氧傳感器）用于實時監測陰陽極室溶解氧（DO）濃度：  

驗證反應器微環境：  

 

測得陽極室DO<0.1 mg/L（嚴格厭氧），解釋硝化缺失原因（硝化菌需好氧條件）。  

 

陰極室DO=1.8 mg/L（微好氧），支撐假單胞菌（兼性厭氧）富集現象（圖4C）。  

量化氧滲透效應：  

 

關閉空氣供應時，陰極DO驟降（圖3C），電壓下跌85%（400mV→60mV），直接證明氧還原反應（ORR）主導電子傳遞。  

 

計算得出：ORR貢獻83.3%電子消耗，為硝酸鹽競爭機制提供實驗證據。  

指導生物膜設計：低DO梯度（陽極0.1 → 陰極1.8 mg/L）促進功能微生物分區定植，優化脫氮/產電協同效率。