微生物电解池（MEC）产沼气的生物电化学表征：电分析技术的优势与局限

本研究针对微生物电解池（MEC）中生物膜-电极复杂界面导致的电化学响应解析难题，系统应用开路电位（OCP）、循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和计时电流法等多种电分析技术，对九种不同外加电压与生物量组合条件下的产沼气生物阳极进行表征。研究发现电流密度峰值与沼气产量呈正相关，累积电荷量与甲烷产量直接关联，揭示了电化学参数与生物过程之间的非线性耦合机制，为MEC的优化控制和生物能源转化研究提供了重要的方法论支撑。

　　

在能源转型与可持续发展的全球背景下，利用微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell, MEC）将有机废弃物转化为沼气（主要成分为甲烷）的技术备受关注。这种生物电化学系统（Bioelectrochemical System, BES）不仅能实现废物资源化，还能生产清洁能源。然而，MEC的实际应用面临着一个核心挑战：生物膜与电极之间形成的复杂界面使得电化学反应过程难以精确解析。传统的电化学表征方法在应用于生物体系时存在显著局限性，不同研究之间的实验条件缺乏标准化，导致数据可比性差。更关键的是，电化学参数（如电流、电压）与生物过程（如沼气产量、成分）之间的定量关系一直不明确，这严重制约了MEC的优化设计和过程控制。

为了突破这些瓶颈，一个由Ariadna Segundo-Aguilar、Gabriel Trejo、Eligio P. Rivero、Fernando F. Rivera和Bibiana Cercado组成的研究团队在《Bioelectrochemistry》上发表了一项开创性研究。他们系统性地将多种电分析技术应用于产沼气的MEC系统，深入探究了在不同操作条件下生物阳极的电化学行为及其与沼气生产性能的关联。

研究人员采用的关键技术方法包括：1）构建双室MEC反应器，使用石墨毡阳极和Pt:Rh网状阴极，以丙酸钠为底物，采用不同稀释比例的发酵出水（5%–75% v/v）作为生物质来源，施加0.3–1.2 V电压进行13天批式运行；2）通过计时电流法监测生物膜形成和电流产生动态；3）利用循环伏安法在-1.0至1.0 V（vs. Ag/AgCl）电位窗口内扫描分析氧化还原信号；4）采用电化学阻抗谱在100 kHz至10 mHz频率范围内测量界面阻抗；5）通过气相色谱分析沼气成分，并测定挥发性固体含量。

3.1. 电活性生物膜的形成

通过计时电流法监测发现，生物膜发育经历典型的滞后期、快速生长期和下降期三个阶段。循环伏安曲线中出现的氧化峰（最高达15,197 mA m^-2）证实了电活性物质（如c型细胞色素和 redox介体）的存在。扫描电镜图像显示第13天时杆菌状细胞被包裹在胞外聚合物基质中，但电极覆盖不均匀。

3.2. 阳极沼气生产

除最低生物量条件（5%和15%）外，大多数MEC均产沼气，总量在1–30.4 mL之间。0.75 V外加电压与40%生物量组合获得最高产量（29–30.4 mL）。甲烷含量在56.7%–84.4%之间，生产速率最高达13.7 mL L^-1 d^-1。研究发现过高电压（1.0–1.2 V）会抑制微生物活性，使沼气产量降低约50%。

3.3. 电流密度

计时电流曲线显示，较高生物量（75%）可缩短滞后期至4天（低生物量组为9天）。相同生物量下，电流峰值随外加电压升高而增大（0.3 V时145 mA m^-2，1.2 V时715 mA m^-2）。研究首次发现电流密度峰值与沼气体积呈正相关，而总电荷量与甲烷产量直接关联，但这种关系是非线性的。

3.4. 累积电荷量

电荷累积曲线呈现三阶段特征：缓慢增加、快速增加和中等增加。总电荷量在30–170C之间，能够有效区分MEC性能。通过电荷平衡计算发现，丙酸盐氧化更符合单电子转移过程（n=1），而非传统认为的6或14电子转移，这对理解生物电化学反应机制具有重要意义。

3.5. 开路电位

生物阳极的开路电位稳定在-0.4±0.02 V vs. Ag/AgCl，与甲烷酚嗪（methanophenazine，产甲烷古菌中的电子载体）的中点电位（-370 mV vs. Ag/AgCl）非常接近，这为理解产甲烷过程的电子传递机制提供了新视角。

3.6. 循环伏安法

伏安曲线表现出三种典型特征：明确氧化峰、平滑氧化波和无法拉第信号。有趣的是，伏安电流与外加电压呈负相关——较高电压（1.2 V）导致较低电流响应，可能是由于高电压对微生物细胞的损伤效应。

3.7. 电阻分布

电化学阻抗谱显示，欧姆电阻从初始的3.2±2 Ω增加到最终的58.5±77 Ω，增加了约18倍，反映了电解液性质和电极表面的变化。电荷转移电阻（R_ct）在15.3–899.5 Ω之间，在相同电压（0.75 V）下随生物量增加而降低，表明生物膜形成改善了界面电子传递。

这项研究通过多角度电分析技术的系统应用，成功揭示了MEC中电化学过程与生物沼气生产之间的内在联系。研究发现电流密度峰值和总电荷量可作为沼气生产性能的有效指标，而开路电位的稳定性表明其可能作为生物阳极的特征参数。更重要的是，研究证实了电化学参数与生物过程之间存在非线性关系，过高电压反而会抑制微生物活性和沼气产量。

该研究的创新之处在于建立了MEC性能与电化学特征之间的关联，为未来MEC的优化控制和规模化应用提供了重要理论基础。通过电分析技术的系统应用，研究人员能够区分不同操作条件下的MEC性能，这为过程监控和自动化控制提供了可能。研究还提出了单电子转移机制在生物电化学氧化中的重要性，挑战了传统多电子转移的观点，对理解微生物电化学反应的底层机制具有重要启示。

这项工作不仅推进了微生物电化学领域的分析方法标准化，也为生物能源技术的开发提供了新的见解和方向。通过电化学手段解析和优化生物过程，这一研究范式有望应用于更广泛的生物电化学系统，推动废物资源化和可再生能源生产技术的创新发展。