近自然生态浮床耦合微生物燃料电池对污染水体的协同修复机制与效能研究

《Journal of Environmental Sciences》：Enhanced pollutants removal and contributions analysis of near-natural floating bed coupling with microbial fuel cell

本文创新性地构建了近自然生态浮床耦合微生物燃料电池（ECOFB-CMFC）系统，通过形成"电子桥"机制显著提升了对水体总有机碳（TOC）、总氮（TN）和总磷（TP）的去除效率（分别达85.3%、80.1%和83.4%）。研究揭示了电活性微生物、植物根系与电极的协同作用，通过功能基因上调和微生物群落重构强化了硝化/反硝化及聚磷菌活性，为城市黑臭水体修复提供了新技术路径。

　　

系统配置与运行

在22厘米×22厘米×25厘米的反应器中构建了三种系统（附录A图S1）：生态浮床系统（ECOFB）、开路系统（ECOFB-OMFC）和耦合微生物电化学系统（ECOFB-CMFC）。所有系统均保持10厘米沉积物厚度和12厘米上覆水柱高度。生态浮床尺寸为15厘米×15厘米×8厘米，在指定种植孔中种植菖蒲。每个系统设置三个平行组，在恒温（25±1°C）条件下运行20天。沉积物采集自污染河道，其基本理化性质见表S1。ECOFB-CMFC系统采用碳毡作为阳极（埋入沉积物）和阴极（悬浮于水体），通过钛丝连接至1000Ω外电阻。每周监测水质参数，包括pH、溶解氧（DO）和氧化还原电位（ORP）。

污染物去除性能

通过20天运行评估三种系统的污染物去除效能。TOC的进出水浓度及去除率如图1a所示。运行10天后，TOC、TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N和TP的出水浓度趋于稳定。稳定期进水TOC平均浓度为25.7±0.7毫克/升。ECOFB、ECOFB-OMFC和ECOFB-CMFC系统的出水TOC浓度分别为4.3±0.5毫克/升、3.7±0.3毫克/升和3.2±0.4毫克/升，对应去除率分别为83.2%、85.6%和87.5%。ECOFB-CMFC对TN的去除率（80.1%）显著高于ECOFB（65.2%）和ECOFB-OMFC（68.7%）。对于TP去除，ECOFB-CMFC系统达到83.4%的最高效率，较ECOFB（70.1%）和ECOFB-OMFC（73.9%）提升显著。

结论

本研究证实生态浮床耦合微生物燃料电池（ECOFB-CMFC）能显著强化对城市污染水体碳、氮、磷的去除。相较于传统系统，ECOFB-CMFC展现出更优的污染物去除速率和最大负载能力，这归因于电活性微生物、根际微生物和水生植物间的协同作用。微生物燃料电池不仅作为促进沉积物有机物氧化和硝酸盐还原的"电子桥梁"，还通过提升生物膜多样性与电活性来缓解植物胁迫。功能基因分析显示ECOFB-CMFC系统中硝化、反硝化和固氮相关基因显著上调，微生物群落中电活性菌、反硝化菌和聚磷菌丰度增加。质量平衡分析进一步验证了植物、微生物与微生物燃料电池在污染物去除中的协同机制。