用于芳香烃生物修复的高性能微生物燃料电池：利用独特的红树林来源的产电菌群

《ACS Omega》：High-Performance Microbial Fuel Cell for Aromatic Hydrocarbon Bioremediation: Leveraging a Unique Mangrove-Derived Electrogenic Consortium

本研究从巴西 mangrove 沉积物中筛选出新型电生微生物群落，构建双室 MFC 系统实现苯乙烯同步降解与高效能源捕获。实验表明，该生物膜在钠醋酸和苯乙烯两种底物下均表现出优异性能，其中以苯乙烯为底物时，系统电压从 568.0 mV 提升至 902.3 mV，功率密度达 390.1 mW/m2，苯乙烯去除率达 98.7%。微生物多样性分析显示，Bacillus（32.9%）和 Arcobacter（30.3%）为优势菌群，形成高效电子传递网络。电化学阻抗谱和扫描电镜证实生物膜显著降低系统内阻并增强电极表面导电性。该成果为有毒芳香烃污染治理提供了新型生物电化学解决方案。

　　微生物电化学系统（MFCs）在环境治理和可再生能源开发方面展现出了巨大的潜力。随着工业化和城市化的迅速发展，环境中的污染物日益增多，特别是芳香烃类化合物如苯，其具有极强的毒性、致突变性和致癌性，对生态系统和人类健康构成了严重威胁。传统的污染治理技术往往需要大量能源和复杂设备，而MFCs则提供了一种既能够高效处理污染物又能产生电能的生物技术。本研究的目标是开发一种新型的电活性微生物共生体，来源于巴西圣埃斯皮里图州的红树林沉积物，以提升MFC在能源生成和芳香化合物降解方面的性能。

### 微生物共生体的构建与性能评估

本研究中，构建的双室MFC采用了碳纤维刷作为阳极材料，其连接至钛棒，并通过1000 Ω的外部电阻与阴极相连。阴极则使用了40%铂修饰的碳布，并通过热压技术固定在Nafion质子交换膜上。在实验开始前，MFC及其组件均经过20%浓硝酸浸泡24小时，并用超纯水彻底清洗，以确保无污染。阳极还进行了额外的高温处理，以提高其导电性和生物相容性。

为了培养稳定的生物膜，实验首先使用了1000.0 mg L?1的乙酸钠（SA）作为碳源，持续7天。第三天时，再次补充SA，并在第8天将原来的溶液和沉积物替换为新鲜的培养基和SA。随后，SA逐渐被苯取代，苯的浓度从10.0%到100.0%递增，分别对应30.0、80.0、170.0、250.0和330.0 mg L?1。通过这种渐进式的培养策略，生物膜能够逐步适应新的碳源，从而提高电能的生成效率。

在使用SA的初期，优势菌群主要为Arcobacter（20.2%）和Comamonas（11.0%）。随着SA被苯取代，Arcobacter和Bacillus（32.9%）成为主要的菌群。这种微生物共生体在苯降解过程中表现出卓越的性能，实现了98.7 ± 2.4%的苯去除率，并且在使用苯作为唯一碳源时，输出电压从568.0 ± 10.3 mV提升至902.3 ± 20.6 mV。此外，最大功率密度达到了390.1 ± 26 mW m?2，库仑效率为14.4%，MFC的累计能量效率为17.8%，这些数据远超以往的报道，甚至比其他设备高出约100倍。

### 电化学特性分析

为了进一步评估MFC的电化学性能，本研究采用了循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）等方法。CV测试显示，当生物膜形成后，阳极和阴极的氧化和还原峰明显出现，表明电活性生物膜的形成促进了电子转移过程。在使用SA时，氧化峰出现在约0.19 V（相对于Ag/AgCl饱和电极），电流为1.87 ± 0.31 mA；而在使用苯时，氧化峰出现在0.16 V，电流为3.47 ± 0.54 mA，表明苯作为碳源对生物膜的电化学活性有积极影响。

EIS测试则揭示了生物膜对内部电阻的影响。在无生物膜的对照组中，内部电阻（Rint）为643 ± 58 Ω，而使用SA和苯的MFC内部电阻分别降至205 ± 42 Ω和146 ± 34 Ω。这种显著的降低表明生物膜有效减少了电子转移的阻力，提高了MFC的效率。此外，电化学表面积（ECSA）也有所增加，分别为25.6 cm2（无生物膜）、37.2 cm2（使用SA）和41.9 cm2（使用苯），进一步证明了生物膜的形成对电化学性能的提升作用。

### 生物膜的形态学与功能性分析

通过扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）对阳极表面进行了形态学分析。结果显示，在生物膜形成前，碳纤维刷表面较为光滑且均匀。当使用SA培养时，阳极表面出现了不同大小的杆状细菌聚集，同时在某些区域观察到了纳米线网络，这表明电子转移可能通过直接电子转移（DET）方式进行。而在使用苯培养时，生物膜表现出更高的扩散性和稳定性，细菌分布更加广泛，且死亡细胞的比例显著降低，表明其在苯环境下的适应性和活性更强。

### 微生物多样性分析

为了深入了解微生物群落的组成及其与电化学性能的关系，本研究对红树林沉积物、使用SA培养的生物膜以及使用苯培养的生物膜进行了微生物多样性分析。结果表明，红树林沉积物中Sulfuvorum（31.45%）占主导地位，而其他微生物如Desulfosarcina、Clostridium和Romboutsia也存在。然而，在SA培养的生物膜中，Arcobacter（20.23%）和Comamonas（11.03%）成为主要菌群，而在苯培养的生物膜中，Bacillus（32.93%）和Arcobacter（30.28%）占据主导地位。这些变化表明，不同的碳源会激活不同的代谢途径，从而影响MFC的性能。

### 苯降解过程与产物监测

本研究还对苯的降解过程进行了监测，并通过气相色谱-火焰离子检测器（GC-FID）和高效液相色谱-折射率检测器（HPLC-RID）分析了降解产物。结果显示，苯的浓度在96小时内降低了98.7 ± 2.4%，说明降解效率非常高。同时，通过GC-TCD检测到的气体产物包括氢气、氮气、甲烷和二氧化碳，这些气体的生成与微生物的代谢活动密切相关。

### 毒性测试与环境安全性

为了评估MFC处理后的环境安全性，本研究进行了急性毒性测试，使用水蚤（Daphnia similis）作为生物指标。结果表明，处理后的溶液对水蚤无毒性，且未产生任何有毒代谢产物。这一发现表明，MFC不仅能够高效降解苯，还能确保处理后的环境安全，这对于实际应用具有重要意义。

### 未来展望

尽管本研究取得了显著成果，但其局限性在于实验室规模和批次操作模式。为了推动MFC技术的实际应用，未来的研究应集中在连续和大规模反应器的设计，评估其在真实废水和复杂污染物混合物中的性能，以及开发提高能量效率的策略，如电极工程优化。此外，进一步研究微生物共生体的结构和功能机制，将有助于更深入地理解其在生物电化学系统中的作用，并为环境治理和能源生产提供更坚实的理论基础。

综上所述，本研究通过构建一种来源于红树林沉积物的电活性微生物共生体，成功提升了MFC在能源生成和芳香化合物降解方面的性能。这一创新性方法不仅为解决环境污染问题提供了新的思路，也为开发高效的生物电化学系统奠定了基础。