Biofilm metagenomic characteristics behind high coulombic efficiency for propanethiol deodorization in two-phase partitioning microbial fuel cell  

兩相分配微生物燃料電池中丙硫醇除臭高庫侖效率背后的生物膜宏基因組特征  

來源：Water Research, Volume 246, 2023, Article 120677

《水研究》第246卷，2023年，文章編號120677  

 

摘要內(nèi)容

 

研究首次將硅油作為非水相（NAP）引入微生物燃料電池（MFC），構(gòu)建兩相分配微生物燃料電池（TPPMFC），以增強疏水性揮發(fā)性有機硫化合物（VOSCs）——丙硫醇（PT）在液相中的傳質(zhì)效率。與單相MFC相比，TPPMFC在32小時內(nèi)對PT的去除效率提升11-20%，庫侖效率達11.01%（為單相MFC的4.32-2.68倍）。機制研究發(fā)現(xiàn)：硅油表面富集高活性脫硫菌（如假單胞菌屬 Pseudomonas、無色桿菌屬 Achromobacter），而陽極生物膜以硫氧化菌（如硫桿菌屬 Thiobacillus、叢毛單胞菌屬 Comamonas、奧托菌屬 Ottowia）為主。TPPMFC中外膜細胞色素c含量和NADH脫氫酶活性分別提高4.15倍和3.36倍。宏基因組分析（KEGG和COG）證實PT代謝途徑更完善，且NAP上調(diào)了硫代謝、能量生成和氨基酸合成相關(guān)基因表達。

 

研究目的

解決疏水性VOSCs在MFC中傳質(zhì)受限問題，提升其降解效率與能量回收率。  

 

闡明硅油NAP對陽極生物膜電化學(xué)活性及微生物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)控機制。  

 

解析TPPMFC中PT的代謝路徑與電子傳遞強化原理。

 

研究思路

構(gòu)建TPPMFC系統(tǒng)：  

 

雙室MFC中引入4-8%（v/v）硅油作為NAP，以石墨氈為陽極，鉑片為陰極。  

 

以500 mg/L PT為唯一碳源，對比NAP添加前后的性能變化（電壓輸出、PT降解率、庫侖效率）。  

多維度性能表征：  

 

電化學(xué)測試：極化曲線、循環(huán)伏安（CV）、線性掃描伏安（LSV）、電化學(xué)阻抗（EIS）。  

 

生物膜分析：掃描電鏡（SEM）、共聚焦顯微鏡（CLSM）、溶解氧微電極（Unisense）、胞外聚合物（EPS）組分。  

 

微生物活性：NADH脫氫酶活性、細胞色素c含量、細胞表面疏水性。  

宏基因組解析：  

 

高通量測序分析陽極生物膜、懸浮硅油表面及電解液中微生物群落結(jié)構(gòu)。  

 

KEGG/COG注釋關(guān)鍵功能基因，構(gòu)建PT代謝網(wǎng)絡(luò)。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

電化學(xué)性能（圖1a-b, 圖2a-d, 表1）  

 

 

 

數(shù)據(jù)：添加4%硅油后，最大輸出電壓185.1 mV（較未添加階段提升91.4%），功率密度142.5 mW/m2（提升6.4倍），庫侖效率11.01%（單相階段僅2.05-4.11%）。  

 

意義：量化硅油對MFC能量輸出的增強效果，證明NAP可突破疏水性污染物處理的能量回收瓶頸。  

溶解氧分布（圖4）  

 

 

數(shù)據(jù)：Unisense微電極測得生物膜活性氧區(qū)厚度從80μm增至170μm（硅油添加后）。  

 

意義：揭示硅油通過改善氧傳遞效率（如攜帶溶解氧、更新生物膜）擴大好氧反應(yīng)區(qū)域，抑制厭氧區(qū)形成，提升PT降解速率。  

生物膜活性（圖5a-d）  

 

 

數(shù)據(jù)：硅油添加后，活菌比例從73.2%升至95.9%，NADH脫氫酶活性（14.88 U/cm3）和細胞色素c含量（47.3 mmol/cm3）分別提升3.36倍和4.15倍。  

 

意義：證實硅油通過清除凋亡菌、優(yōu)化EPS結(jié)構(gòu)（蛋白質(zhì)/多糖比從1.06升至1.51），強化微生物代謝與電子傳遞能力。  

微生物群落與功能基因（圖6, 圖7, 表2）  

 

 

 

 

數(shù)據(jù)：硅油表面富集Hyphomicrobium（硫醚降解菌，豐度從0.05%升至1.36%），陽極生物膜中Pseudomonas（PT降解菌）豐度從32.1%增至41.2%。KEGG顯示硫代謝（soxC基因）、能量合成（sdhA、fumA基因）顯著上調(diào)。  

 

意義：闡明硅油通過調(diào)控功能菌群空間分布與代謝通路，協(xié)同提升PT脫硫效率與電子產(chǎn)生能力。

 

結(jié)論

性能突破：  

 

4%硅油使PT降解率提升11-20%，庫侖效率達11.01%（當(dāng)前VOSCs處理MFC最高值），功率密度提升6.4倍。  

機制創(chuàng)新：  

 

硅油作為PT"濃縮載體"與"生物膜更新劑"，通過增強傳質(zhì)、優(yōu)化生物膜結(jié)構(gòu)（活菌比例↑）、擴大氧活性區(qū)（170μm），激活硫代謝與電子傳遞鏈（細胞色素c↑）。  

應(yīng)用價值：  

 

TPPMFC為處理低溶解度污染物（如惡臭氣體、石油烴）提供高效解決方案，推動生物電化學(xué)系統(tǒng)在廢水/廢氣處理中的工程化應(yīng)用。

 

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（分辨率≤10 μm）測量生物膜溶解氧剖面（圖4），其核心價值在于：  

空間分辨氧動力學(xué)解析：  

 

精準量化生物膜內(nèi)氧梯度（0-750 μm深度），揭示硅油添加后活性氧區(qū)厚度倍增（80→170 μm），證明NAP通過物理攪動更新生物膜表層死細胞層，并攜帶溶解氧強化液-固界面?zhèn)髻|(zhì)。  

機制關(guān)聯(lián)性驗證：  

 

氧活性區(qū)擴展與電化學(xué)性能提升（功率密度↑6.4倍）直接關(guān)聯(lián)，證實好氧區(qū)擴大促進PT礦化（SO?2?轉(zhuǎn)化率從31.9%升至58.2%），減少硫沉積（S?含量從12.3%降至7.1%）。  

技術(shù)不可替代性：  

 

傳統(tǒng)溶氧儀僅獲本體溶液平均值，而微電極可定位生物膜微米級氧熱點（如硅油-生物膜界面100μm活性區(qū)），解析局部氧環(huán)境對硫氧化菌（如Thiobacillus）活性的調(diào)控作用。  

 

核心貢獻：Unisense數(shù)據(jù)將"NAP添加→氧傳遞增強→生物膜活性重構(gòu)→電化學(xué)性能提升"的因果鏈條實證化，為疏水性污染物生物電化學(xué)處理提供優(yōu)化依據(jù)。