综述：基于化学发光的病原菌鉴定与定量检测

《Environmental Research》：Chemiluminescence-based identification and quantitative detection of pathogenic bacteria

本文系统探讨了利用热解纺织废料（亚麻、牛仔、毛衣）制备的炭材料作为微生物燃料电池（MFC）阴极催化剂的可行性。研究显示，毛衣衍生炭因高氮含量（12.0%）和适中比表面积（43.6 m2/g）显著提升氧还原反应（ORR）活性，使MFC电流/功率密度超越炭黑对照组，COD去除率达80%以上。该策略同步实现能量回收（≥4.13 MJ/kgtextile）与生物污染控制，为纺织废物资源化提供新路径。

　　

Abstract

可持续且经济高效的阴极催化剂开发仍是微生物燃料电池（MFCs）领域的主要挑战。本研究探索了将热解亚麻、牛仔和毛衣废料获得的纺织衍生炭作为单室空气阴极MFCs替代阴极材料的潜力。热解过程同时回收了大量富能气体和油类（至少4.13 MJ/kg_textile），展示了可持续能量回收的可能性。通过表征炭材料的理化性质和电化学行为，评估其作为阴极催化剂的适用性。在测试材料中，毛衣衍生炭表现出最高的氮含量（12.0%）和43.6 m²/g的比表面积，这可能增强其氧还原反应（ORR）活性。与炭黑对照组相比，使用纺织基阴极的MFCs实现了显著更高的电流和功率密度；除亚麻外，所有材料的化学需氧量（COD）去除效率均超过80%（亚麻因过度亲水性导致性能下降）。库仑效率也高于对照组，表明电子回收得到改善；蛋白质定量分析证实纺织衍生阴极的生物污染减少。这些结果表明，纺织衍生炭中富氮组成、适中亲水性和充足比表面积的结合增强了ORR动力学并抵抗了生物污染。尽管本研究证明了将纺织废料转化为高性能、环境友好型MFC阴极的可行性，但仍受限于实验室规模、短期运行、炭材料有限比表面积以及缺乏CO₂整合。未来工作应评估实际废水条件下的长期稳定性，优化热解和活化工艺以提升ORR活性，并整合CO₂捕获以提高性能和可扩展性。

Introduction

每年全球产生超过9200万吨纺织废料，其中大部分通过焚烧或填埋不当处理（Singh et al., 2025）。填埋和焚烧纺织废料会带来温室气体（CO₂, CH₄）排放、含有染料和重金属的渗滤液释放以及微塑料迁移等风险（Anilbose et al., 2025; Kabir et al., 2023）。以牛仔为例，其主要由高质量棉花制成并染有靛蓝，是优良的生物质资源，但超过80%的废弃牛仔因强度和颜色问题不适合再利用而被焚烧或填埋（Li et al., 2025）。染料焚烧会释放有害人体健康的有毒或致癌气体（Abagnato et al., 2024; Rendón-Castrillón et al., 2024），而靛蓝染料难以降解，填埋可能导致土壤酸化或硬化（Fan et al., 2024; Scott et al., 2024）。棉-聚酯混纺的毛衣织物难以分离，大多未进行材料回收即被丢弃（Cao et al., 2022），丙烯酸毛衣废料则会造成严重微塑料污染（Mu et al., 2024）。亚麻虽可生物降解且属木质纤维素材料，但主要作为低价值短纤维生产，利用不足（Hassan et al., 2025; Marczak et al., 2024）。当前回收方法主要依赖机械处理（如粉碎、纤维再加工），仅限于低价值应用且材料回收率仅15–25%（Wojnowska-Bary?a et al., 2024）。因此，需要创新性的增值路径来有效管理这些多样化纺织废料流并减轻其环境影响。

微生物燃料电池（MFCs）作为一种有前景的生物电化学平台，被广泛研究用于同步处理有机废物和发电。在各种MFC构型中，无膜单室空气阴极系统因操作简单、成本效益高和可扩展潜力而备受关注（Al Lawati et al., 2019）。在此类系统中，阴极的氧还原反应（ORR）作为末端电子接受过程，对功率输出和系统耐久性起关键作用。ORR通过涉及电子和质子转移的两条主要途径进行：四电子途径（O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O, E° = 1.229 V）可完全还原为水，具有高效率和低过电位；二电子途径（O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O_{2, E° = 0.67 V）则产生过氧化氢，是一种强氧化剂，可在无额外化学输入下去除难降解污染物（Dong et al., 2018）。尽管铂（Pt）基催化剂以其优异ORR动力学闻名，但其高昂成本、资源稀缺性和易中毒性严重限制了其在MFCs中的实际应用（Ben Liew et al., 2014）。因此，研究重心转向寻找成本效益高、环境友好的替代催化剂。近年来，源自污水污泥、果皮和木材生物质等废料的生物炭，因其低成本、组成多样和可调微观结构，已被用作MFCs阴极催化剂（Chakraborty et al., 2020b）。此外，近期研究聚焦于通过预处理中添加活化剂、通过金属离子（如Fe、Co）配位增加氮官能团含量，以增强碳基材料的导电性和ORR活性（Leng et al., 2020）。}

热解气和热解油不仅最小化了传统废物处置的环境风险，还可作为符合联合国可持续发展目标13（气候行动）的生态友好能源（Lee et al., 2025; Park et al., 2023）。炭（Char）是一种通过生物质或废物热解获得的多孔导电碳质材料，已被研究用于生物电化学系统电极等多种应用（Wang et al., 2017）。纺织纤维具有独特的形态和化学特征，如分级纤维结构和固有氮含量（Zhu et al., 2023），这些特征预计会在热解后的炭中 largely 保留，从而贡献于有利的电化学性质（Lim et al., 2026）。其高比表面积、孔隙率和表面官能团等理化特性，使其成为空气阴极MFCs中传统碳材料的有前景替代品（Chang et al., 2020; Li et al., 2018a; Zhong et al., 2019）。考虑到某些纺织废料（尤其是羊毛和棉基织物）的元素组成，所得炭预计含有显著量的氮、硫以及痕量无机物种，可能协同贡献于催化活性（Xie et al., 2024）。值得注意的是，氮官能团的存在可通过促进氧分子在带正电荷的氮位点相邻碳原子上的吸附来增强ORR活性，这些位点可作为活性位点。这些总体特征表明，纺织衍生炭无需进一步掺杂或功能化即可作为有效且可持续的ORR催化剂，从而降低成本和材料复杂性。

本研究旨在探讨纺织衍生炭作为单室MFCs可持续高效阴极催化剂材料的应用。同时评估了热解过程中产生的热解气和热解油的能量回收。与传统依赖金属基催化剂的方法不同，本工作利用热解纺织废料开发具有增强ORR活性的含氮碳质催化剂。对制备炭的理化性质进行了比较分析以用于空气阴极应用，并在MFC运行期间评估了其电化学性能和长期耐久性。基于这些结果，提出了将纺织废料作为MFC阴极催化剂材料的升级循环策略。本研究提出了一种新颖的策略，既实现了纺织废料的增值，又通过开发低成本、富氮碳催化剂提高了MFC性能。

Preparation of textile-derived char and pyrolysate analysis

选择亚麻、牛仔和毛衣织物三种纺织废料作为炭生产的前体（图S1）。将每种材料切成小块（尺寸：2厘米宽，5厘米高），并在氮气氛围（流量：100 mL/min；纯度：超高纯级）下进行热解。纺织样品首先在400°C下碳化2小时（加热速率：2.5°C min^?1），在连续N₂流下获得粗炭。冷却至室温后，粗炭进行后续处理。

Pyrolysis of textile waste

各种纺织废料产生的液体和气体热解产物的产率差异通常小于5%（Yousef et al., 2019）。本研究的主要目的并非对所有纺织类型的热解产物分布进行全面分析，而是开发成本效益高、高性能且可持续的纺织衍生炭阴极催化剂。在可持续性部分（第3.5节），提出了一种可持续升级循环策略。

Conclusions

本研究证明纺织衍生炭是单室MFCs可持续且有效的阴极催化剂。来自毛衣和牛仔织物的炭具有高氮含量和优越表面性质，增强了ORR性能和电子回收。电化学测试显示，与炭黑相比，电流密度和功率输出显著改善。纺织炭基阴极还减少了生物污染，表现为蛋白质积累量降低和适宜的亲水性。这项工作为利用废弃纺织品开发低成本、高性能MFC阴极提供了一条有前景的途径，有助于废物管理和可持续能源生产。

CRediT authorship contribution statement

Yeonju Jeong: 撰写初稿，验证，方法论，研究，形式分析。 Sam Yeol Lim: 撰写初稿，验证，研究。 Jechan Lee: 审阅编辑，监督，资金获取。 Gahyun Baek: 审阅编辑，监督，资金获取，概念化。

Declaration of Competing Interest

?? 作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本研究报告的工作。

Acknowledgements

本工作得到韩国国家研究基金会（NRF）由韩国政府（MSIT）资助的拨款支持（编号 RS-2025-02253004 和 RS-2023-00243170）。图形摘要部分使用BioRender制备。