光生物电化学系统协同降解1,2,4-三氯苯与菲并同步产能的机制研究

【编辑推荐】针对难降解有机污染物1,2,4-三氯苯(1,2,4-TCB)的治理难题，研究人员创新性地将CuNTiO2 /g-C3 N4 光催化剂集成于微生物燃料电池(MFC)阳极，构建光生物电化学系统(PBES)。该系统在64天内实现91.73%的1,2,4-TCB去除率，同步产生360.46 mW/m2 电能，并显著富集电活性菌属假单胞菌(Pseudomonas)，为复杂污染物治理与能源回收提供可持续解决方案。

　　

随着工业发展，氯代芳烃类污染物已成为威胁水环境安全的"顽固分子"。其中1,2,4-三氯苯(1,2,4-TCB)因广泛应用于染料、医药等行业，其环境残留问题尤为突出。这种化合物不仅具有强毒性，在自然环境中降解周期可长达5年，传统处理方法又面临高能耗、二次污染等瓶颈。如何实现高效降解与能源回收的"双赢"，成为环境工程领域的重大挑战。

针对这一难题，中国的研究团队在《Materials Today Energy》发表创新成果，通过巧妙融合光催化与生物电化学技术，开发出新型光生物电化学系统(PBES)。研究团队设计三种反应器配置：传统微生物燃料电池(MFC1)、单污染物光阳极MFC(MFC2)和双污染物光阳极MFC(MFC3)，系统考察CuNTiO₂
/g-C₃
N₄
催化剂对1,2,4-TCB和菲的协同降解效能。

关键技术方法包括：构建双室PBES反应器（含102阳离子交换膜），采用碳网阳极/不锈钢阴极体系；通过扫描电镜表征催化剂形貌；利用高通量测序分析阳极生物膜群落；采用气相色谱监测污染物降解动力学；通过电化学工作站记录产电性能。

【反应器设计与配置】
研究采用双室玻璃反应器，阳极室植入CuNTiO₂
/g-C₃
N₄
光催化剂涂层，通过钛丝连接电极构成回路。特殊设计的O型环密封结构和延伸臂培养基瓶，确保系统长期运行的稳定性。

【结果与讨论】
性能对比显示，光阳极MFC2展现出"三高"特性：1,2,4-TCB去除率(91.73±0.4%)较传统MFC1提升4.15%，产电密度(360.46 mW/m²
)达到MFC1的1.93倍。微生物群落分析揭示，Pseudomonas在MFC2阳极生物膜中占比高达62.38%，证实光激发产生的空穴可显著促进电活性菌富集。值得注意的是，当系统处理1,2,4-TCB与菲的复合污染时(MFC3)，降解效率下降至72.27%，暗示多污染物竞争降解机制的存在。

【结论】
该研究证实光催化-生物电化学耦合策略具有三重优势：通过CuNTiO₂
/g-C₃
N₄
的光生电子-空穴对加速污染物氧化；利用微生物代谢实现深度矿化；同步回收电能。这种"一石三鸟"的设计思路，为复杂有机污染治理提供了新范式。研究不仅解决了传统技术能耗高的痛点，其模块化设计更便于实际工程应用，对实现联合国可持续发展目标中的清洁饮水和能源目标具有重要实践意义。