Effect of photoperiod, light source, growing media, anode placement and setup design on performance of plant microbial fuel cells(PMFCs)with oxygen reducing microalgal bio-cathode  

光周期、光源、生長介質(zhì)、陽極位置和裝置設(shè)計對含氧還原微藻生物陰極的植物微生物燃料電池（PMFCs）性能的影響  

來源：Biomass Conversion and Biorefinery, 2023

《生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與生物煉制》2023年  

 

摘要內(nèi)容

 

研究系統(tǒng)評估了光周期（16/8 h、12/12 h、8/16 h）、光源（紅光、藍光、紅藍混合光、白光）、新型植物生長介質(zhì)、陽極位置（A1:3 cm, A2:7 cm, A3:11 cm深度）及反應(yīng)器構(gòu)型（雙室、三室、窄底三室）對PMFC性能的影響。結(jié)果表明：  

12/12 h光暗周期為最優(yōu)，功率密度達23.64±1.4 mW/m2（圖4）；  

 

 

白光顯著提升植物（綠蘿/紅掌）和微藻（Chlorella sorokiniana）生物量，功率密度26.42 mW/m2（紅光僅15.32 mW/m2）（表2, 圖5a）；  

 

 

 

新型生長介質(zhì)（含海藻提取物、氨基酸、植物激素等）使植物根系生物量增加，功率提升31%至27.41 mW/m2（圖6）；  

 

 

陽極位置A2（7 cm深） 功率密度達27.21 mW/m2，較A1（3 cm）提升2.2倍（表3, 圖7）；  

 

 

 

窄底三室反應(yīng)器（圖3c）降低陽極區(qū)26%氧濃度，功率密度31.40 mW/m2，較雙室構(gòu)型提升39.6%（圖9, 表3）。  

 

 

 

研究目的

優(yōu)化PMFC關(guān)鍵操作參數(shù)（光環(huán)境、營養(yǎng)供給、電極布局），最大化生物電輸出。  

 

闡明不同光源對植物光合作用及微藻陰極氧還原效率的影響機制。  

 

通過反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計強化陽極厭氧環(huán)境，減少根系氧泄露對微生物電化學(xué)活性的抑制。  

 

研究思路

參數(shù)獨立測試：  

 

光周期：三組PMFC分別運行16/8 h、12/12 h、8/16 h光暗循環(huán)（圖4）。  

 

光源：四組PMFC分別暴露于紅光、藍光、紅藍混合光、白光（圖1, 圖5a）。  

 

 

生長介質(zhì)：對比組（無添加）vs 實驗組（噴灑復(fù)合營養(yǎng)液）（圖6）。  

結(jié)構(gòu)優(yōu)化：  

 

陽極位置：三組PMFC陽極分別置于3 cm（A1）、7 cm（A2）、11 cm（A3）深度（圖2, 圖7）。  

 

 

反應(yīng)器構(gòu)型：對比雙室、標(biāo)準(zhǔn)三室、窄底三室設(shè)計（圖3, 圖9）。  

性能評估：  

 

電化學(xué)指標(biāo)：開路電壓（OCV）、功率密度、內(nèi)阻（表3）。  

 

生物指標(biāo)：植物生物量、微藻葉綠素濃度（表2）。  

 

環(huán)境指標(biāo)：Unisense微電極測量陽極區(qū)溶解氧梯度（圖8）。  

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

功率密度（圖4, 圖9c, 表3）  

 

數(shù)據(jù)：窄底三室PMFC功率密度31.40 mW/m2，較雙室提升39.6%；白光下紅掌PMFC功率26.42 mW/m2，較紅光高72%。  

 

意義：量化構(gòu)型與光源優(yōu)化的增效幅度，為PMFC工程放大提供參數(shù)基準(zhǔn)。  

溶解氧分布（圖8, 表3）  

 

數(shù)據(jù)：Unisense微電極測得窄底陽極室底部氧濃度11.25 μmol/L，較雙室（12.36 μmol/L）降26%；A1位置（3 cm深）氧濃度27.25 μmol/L，A2（7 cm）降至15.4 μmol/L。  

 

意義：揭示氧濃度梯度與電極位置的關(guān)聯(lián)，解釋A2位置高性能原因（厭氧環(huán)境更優(yōu)）。  

生物量及葉綠素（表2, 圖6B）  

 

數(shù)據(jù)：白光下微藻葉綠素濃度29.36 μg/mL（紅光僅20.12 μg/mL）；添加生長介質(zhì)的紅掌根系生物量顯著增加。  

 

意義：證實光源與營養(yǎng)干預(yù)通過增強光合作用及根系分泌物，間接提升底物供給與陰極氧還原效率。  

內(nèi)阻變化（表3）  

 

數(shù)據(jù)：窄底三室內(nèi)阻190 Ω，較雙室（270 Ω）降29.6%；陽極A2位置內(nèi)阻220 Ω，較A1（280 Ω）降21.4%。  

 

意義：結(jié)構(gòu)優(yōu)化縮短質(zhì)子傳遞路徑，降低歐姆損耗。  

 

結(jié)論

光環(huán)境優(yōu)化：12/12 h光暗周期配合白光光源，最大化植物-微藻協(xié)同效應(yīng)，功率密度提升54–72%（vs 單色光）。  

 

營養(yǎng)干預(yù)：含植物激素（油菜素內(nèi)酯）和微量元素的生長介質(zhì)促進根系發(fā)育，功率提升31%。  

 

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：  

 

陽極置于7 cm深度（A2）平衡氧隔離與質(zhì)子傳遞，功率密度較淺層（A1）提升2.2倍。  

 

窄底三室設(shè)計強化底部厭氧環(huán)境，功率密度達31.40 mW/m2，為當(dāng)前PMFC性能標(biāo)桿。  

氧管理核心：根系氧泄露是性能限制因素，需通過深度與構(gòu)型設(shè)計主動調(diào)控厭氧微環(huán)境。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense OX-25氧微電極（步進精度未注明，典型分辨率≤10 μm）測量陽極區(qū)溶解氧剖面（圖8），其數(shù)據(jù)價值體現(xiàn)在：  

空間分辨氧梯度定量：  

 

精確捕捉植物根系界面（0 cm）至陽極底部（14 cm）的氧濃度突變點（如A1位置3 cm處27.25 μmol/L峰值），揭示根系氧泄露（Radial Oxygen Loss）的空間范圍，為電極避位設(shè)計提供依據(jù)（避免A1位置）。  

構(gòu)型性能的機制驗證：  

 

直接證實窄底陽極室底部氧濃度（11.25 μmol/L）顯著低于雙室（12.36 μmol/L），量化26%的降幅源于物理限域效應(yīng)，支撐“窄底設(shè)計強化厭氧”的創(chuàng)新結(jié)論。  

電極位置優(yōu)化依據(jù)：  

 

測得A2位置（7 cm深）氧濃度15.4 μmol/L，低于A1（27.25 μmol/L）但高于A3（13.6 μmol/L），結(jié)合功率數(shù)據(jù)（A2 > A3 > A1），證明中度深度（A2）兼顧低氧環(huán)境與質(zhì)子傳遞效率。  

技術(shù)不可替代性：  

 

傳統(tǒng)溶氧儀僅能測量本體溶液平均值，而Unisense微電極可定位毫米級氧熱點（如根系界面），解析局部氧抑制對電化學(xué)活性的影響。  

 

核心貢獻：Unisense數(shù)據(jù)將“結(jié)構(gòu)設(shè)計-氧分布-電性能”的因果鏈條實證化，推動PMFC從經(jīng)驗優(yōu)化向機理驅(qū)動設(shè)計轉(zhuǎn)型。