底物介导的生物电化学系统强化及其在采矿废水稀土元素可持续回收中的应用

针对稀土元素(REEs)采矿废水处理难题，中国研究人员创新性地采用单室微生物燃料电池(SCMFCs)技术，系统评估了四种底物(乙酸盐、乳酸盐、甲醇和葡萄糖)对REEs去除及生物产电性能的影响。研究发现乙酸盐底物表现最优，其COD去除率达95±0.5%，库仑效率达29±2.4%，并能富集电活性菌群(如Geobacter)，为开发可持续的能源正产出废水处理技术提供了重要依据。

　　

随着稀土元素(REEs)在新能源、电子等高科技领域的广泛应用，全球采矿活动激增，导致含钇(Y)、铈(Ce)等REEs的废水排放量急剧上升。这些重金属污染物具有难降解、易蓄积的特性，传统处理方法面临成本高、效率低、二次污染等问题。在此背景下，中国的研究团队创新性地将单室微生物燃料电池(SCMFCs)技术应用于REEs废水处理，通过系统比较四种底物的作用机制，为开发"废水处理-能源回收"一体化解决方案提供了突破性思路。

研究团队采用28 mL聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)反应器构建SCMFCs系统，以碳刷为阳极、碳布为阴极，外接1000 Ω电阻负载。关键技术包括：1) 电化学阻抗谱(EIS)分析电子传递阻力；2) 三维荧光光谱(3D-EEM)表征胞外聚合物(EPS)；3) 高通量16S rDNA测序解析微生物群落；4) X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析REEs结合机制；5) PICRUSt算法预测功能基因。所有实验均使用真实采矿废水样本。

Bio-electricity output
电压监测显示，乙酸盐组产生最高持续电流（0.98 Ω电子传递阻力），其特有的"开放型"循环伏安曲线表明形成了高电活性生物膜，而其他底物组呈现受限的电化学响应。

Microbial community analysis
16S测序揭示底物特异性富集现象：乙酸盐组显著提升电活性菌Anaeromusa-Anaeroarcus(10.85%)和Geobacter(4.02%)丰度，同时刺激EPS分泌量达8.729±0.7 mg/g蛋白质和8.11±1.42 mg/g VSS多糖，这些物质通过络合作用强化REEs固定。

Functional gene modulation
PICRUSt分析发现乙酸盐激活异生物质降解相关通路，上调金属抗性基因表达，其COD去除效率(95±0.5%)和库仑效率(29±2.4%)均显著优于其他组（乳酸盐组21±1.8%，甲醇组18±2.1%，葡萄糖组15±1.5%）。

该研究由Nyambane Clive Ontita等发表在《Journal of Water Process Engineering》，首次阐明底物选择通过三重机制影响SCMFCs性能：1) 优化电子传递链；2) 塑造功能菌群结构；3) 调控金属结合分子合成。特别值得注意的是，乙酸盐促进的EPS分泌使REEs回收率突破90%，较传统石墨烯法(22.1%)和藻酸盐微球法(<90%)具有显著优势。研究提出的无膜SCMFCs设计克服了膜生物污堵难题，为采矿废水处理提供了兼具环境效益与能源回收价值的创新方案。