光合微藻辅助微生物燃料电池实现废水处理与高附加值产物联产的电生物学机制研究

本研究通过构建双室光合微藻辅助微生物燃料电池(PMA-MFC)，首次利用雨生红球藻(Haematococcus lacustris)作为阴极催化剂，实现废水处理、生物产电与高价值类胡萝卜素联产。研究团队比较了不同运行模式下的系统性能，发现阴极介质补充的PMA-MFCt1组功率密度达33.76 mW m-2，较无介质补充组(PMA-MFCt2)提升120%，同时获得118 mg L-1生物量及224.6 μg g-1类胡萝卜素。16S rRNA测序揭示阳极以变形菌门(Proteobacteria)为主的电活性菌群结构，为废水能源化处理提供了新技术路径。

　　

随着工业化和城市化进程加速，水污染治理与能源短缺已成为全球性挑战。传统废水处理技术存在能耗高、资源回收率低等瓶颈，而微生物燃料电池(MFC)技术可将废水中有机物直接转化为电能，但阴极氧还原反应(ORR)依赖昂贵催化剂的问题制约其发展。与此同时，微藻培养需要消耗大量二氧化碳并产生高附加值产物，如何实现两者的协同增效成为研究热点。印度萨加尔中央大学应用科学学院硅藻纳米工程与代谢实验室(DNM)的研究人员创新性地将光合微藻整合到MFC系统，开发出具有三重效益的废水处理新范式。

研究采用双室PMA-MFC装置，以粘土板为质子交换膜，石墨毡为电极。关键技术包括：1) 雨生红球藻的分子标识(MID)鉴定与培养；2) 不同运行模式(PMA-MFC_t1/t₂/nw)的系统性能比较；3) 16S rRNA宏基因组分析阳极微生物群落；4) UV-Vis和LC-MS/MS检测微藻代谢产物。

性能测试与生理参数

系统监测显示阴极溶解氧(DO)从6.26 mg L^-1升至7.43 mg L^-1，证实微藻光合产氧能力。pH从7.12升至8.37的环境变化促进电化学反应，而阳极电导率从2.16增至5.77 mS反映电活性菌代谢增强。

电压与功率密度

极化曲线显示PMA-MFC_t1最大功率密度(PD_max)达33.76 mW m^-2，显著高于无藻对照组(PMA₀-MFC)的8.05 mW m^-2。介质补充维持的微藻持续增殖使系统CE达5%，COD去除率46.42%。

微生物群落分析

16S rRNA测序揭示阳极初始菌群以变形菌门(71.94%)为主，40天后厚壁菌门(Firmicutes)增至46.62%。γ-变形菌和梭菌(Clostridia)等电活性菌的演替与系统性能提升显著相关。

微藻生长与产物

阴极微藻生物量达118 mg L^-1，总类胡萝卜素在16天出现峰值(224.6 μg g^-1)。LC-MS检测到虾青素单酯(m/z 579.58)和二酯(m/z 1119.58)等高价值产物，证实系统兼具资源回收潜力。

该研究首次证实雨生红球藻在PMA-MFC中的三重效益：1) 作为生物催化剂提升ORR效率；2) 通过CO₂固定缓解温室效应；3) 生产高价值色素。阳极菌群结构动态与系统性能的关联性为优化菌藻共生体系提供理论依据。尽管虾青素产量受制于系统氧化还原平衡，但提出的介质补充策略为同类研究提供了重要参考。这项发表在《Scientific Reports》的成果为发展"废水处理-能源回收-资源再生"的循环经济模式提供了创新技术路径。