《Environmental Research》：Endogenous Metabolism and Electricity Conversion of Organic Clogging Substances in Constructed Wetland Microbial Fuel Cell
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人工湿地微生物燃料电池（CW-MFC）通过电生呼吸（18.5%）和代谢耦合实现有机堵塞物质降解与能源回收，30天实验中孔隙率提升至45.45%，胞外多聚物（EPS）从1298.91 mg/L降至34.00 mg/L，Van Krevelen分析显示优先降解脂类和蛋白质为小分子，负相关电化学传感揭示原位堵塞监测潜力。
赵丽|何东旭|袁全|曹嘉顺|罗景阳|徐明|任洪强
中国江苏省教育厅浅水湖综合调控与资源开发重点实验室，河海大学，南京210098
摘要
人工湿地（CWs）中的基质堵塞会降低污染物去除效率并加剧碳排放，同时减少堵塞物质及其潜在的能源回收仍然具有很大挑战性。本研究探讨了人工湿地微生物燃料电池（CW-MFC）系统中有机堵塞物质的降解及其与能量分配的代谢耦合。在30天的堵塞缓解过程中，孔隙率从37.50%增加到45.45%，总固体（TS）、挥发性固体（VS）和溶解有机物（DOM）尤其是胞外聚合物物质（EPS）显著减少，EPS从1298.91 mg/L急剧下降至34.00 mg/L，并伴随快速的多糖降解。Van Krevelen（VK）图谱显示，CW-MFC优先将脂质和蛋白质降解为小分子，同时抑制木质素/芳香族化合物的降解。能量流分析表明，CW-MFC引入了产电呼吸作用（18.5%），增强了好氧和厌氧途径，使有机物从EPS合成转向电子传递和呼吸作用，从而减轻了EPS的积累。EPS降解细菌（EDB）和电活性细菌（EAB）的群落分析表明，一种代谢耦合机制使得EDB产生的代谢物（包括根据VK图谱可降解的中间体）成为EAB的底物，而EAB产生的电能又刺激了EDB的活性。与EPS（–1.00）、VS（–0.97）和TS（–0.97）的强负相关性突显了CW-MFC对原位堵塞监测的电化学传感能力。
引言
人工湿地（CWs）由于其稳定的运行和高营养物去除效率而被广泛用于废水处理和生态恢复（Wang等人，2025c）。然而，长期运行常常导致基质堵塞，严重影响湿地性能。有机堵塞主要由胞外聚合物物质（EPS）和生物膜残留物组成，是CWs堵塞的主要原因（Wang等人，2023a）。尽管如此，这些堵塞物质本质上是具有可利用生物能源潜力的有机生物质，因此可以被视为能源回收的资源。
目前的缓解策略，如基质更换、清洗、床层休眠、化学和生物处理（例如，添加鼠李糖脂和Fe–C微电解），成本高昂、耗时较长，且常常破坏微生物栖息地，限制了它们在原位和可持续堵塞控制中的适用性（Cao等人，2021；Wang等人，2025c；Wei等人，2020）。一旦发生堵塞，干预措施不仅会中断处理过程，还会大幅降低系统效率。
由于CWs的固定床配置和较大的空间规模，堵塞只能通过原位方法缓解（Zheng等人，2024b），这使得减少堵塞物质及其能源回收受到很大限制。总体而言，这些限制强调了需要针对有机堵塞并促进能源回收的针对性原位策略。
人工湿地-微生物燃料电池（CW-MFC）利用其固有的厌氧-好氧区域同时净化废水和产生生物电（Yadav等人，2012），而MFC还可以通过电场和电活性细菌（EAB）的关键作用缓解湿地堵塞（Li等人，2022b）。Liu等人（Liu等人，2023）报告称，生物电化学系统（BES）产生的微电场对污染控制贡献了高达95.34%，其他研究人员（Huang等人，2023；Li等人，2023；Wang等人，2023a）证明CW-MFC或耦合系统可以降解EPS、去除污染物并缓解湿地堵塞。我们之前的工作回顾了BES系统中的缓解机制，包括堵塞物质的存在形式变化、空间迁移、内源性降解和生物电转换。总体而言，这些过程比传统CWs提供了更高效和可持续的堵塞控制（Zhou等人，2025）。
在CW-MFC的协同机制中，电能转换是最有效的途径，实现了堵塞物质的原位减少和资源回收（Song等人，2021）。CW-MFC丰富了EAB，多样化了电子和能量流动途径，增强了底物的生物可利用性，并抑制了甲烷排放（Zhang等人，2017）。内源性有机物（如EPS）经历迁移-分散-降解过程，作为生物电的电子供体，通常与EAB的代谢协同作用（Fu等人，2024）。电场进一步驱动蛋白质中的电子转移，增强了EPS和蛋白质的降解，而EAB通过细胞色素和细菌纳米线传递电子（Huang等人，2023；Yang等人，2020），这种降解和生物电转换过程可能是多种微生物群体协同代谢的结果，不同种类微生物共同分解有机堵塞物质并促进电子流动。
现有研究主要集中在有机堵塞物质的减少上，而没有将其视为资源，且转化过程仍不甚明了。因此，我们的研究在两个方面有所贡献：（1）将内源性有机堵塞物质视为有价值的能源回收资源；（2）系统地研究了它们在CW-MFC系统中的代谢生命周期和电子传递，揭示了有机降解与能量流动之间的代谢耦合机制，旨在实现原位缓解和以资源为导向的生物电转换，为先进的湿地技术提供低碳、可持续的策略和理论基础，为全球碳减排做出贡献。
反应器构建与运行
实验装置（图S1）包括一个传统人工湿地和三个CW-MFC系统（CW-MFC-1、-2、-3），在外部电阻分别为500、1000和2000 Ω的条件下运行，涵盖了MFC系统的实际性能范围（Corbella和Puigagut，2018；Liu等人，2016；Potrykus等人，2021）。每个反应器由填充砾石的水分配/基质层和活性炭填充的阳极/阴极层组成，中间隔有碳毡-不锈钢网
缓解阶段孔隙率和堵塞物质含量的变化
为了研究CW-MFC中的内源性代谢，所有系统运行60天直至堵塞发生（图S3–S6），随后进行30天的缓解阶段，使用不含碳和氮的进水来刺激微生物对堵塞物质的降解。每周监测孔隙率变化（图1(a)），时间线重置为0（60天运行后30天）。所有系统都显示出恢复，但CW-MFC的表现始终优于传统人工湿地，初始孔隙率更高
结论
本研究将有机堵塞物质视为能源资源，并阐明了它们在CW-MFC系统中的内源性代谢与电能转换之间的耦合。
- (1)
MFC的引入加速了孔隙率的恢复，减少了堵塞物质，并实现了能源回收，而VK分析表明CW-MFC将大分子有机物降解为小分子。
- (2)
CW-MFC中的能量流被重新导向产电（18.5%）和呼吸代谢，减少了
CRediT作者贡献声明
袁全：可视化、数据分析。曹嘉顺：资源准备。罗景阳：数据分析。徐明：可视化、实验研究。任洪强：资源准备、概念构思。赵丽：实验研究、资金获取、数据管理。何东旭：初稿撰写、方法设计、实验研究
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了江苏省碳达峰和碳中和技术创新重大科技示范项目（项目编号BE2022861）、江苏省生态环境研究项目（20230010）以及江苏省高等教育机构优先学术发展计划资助的支持。
