微生物燃料电池利用农业废弃物产生物电的实验评估、反向传播神经网络预测及文献计量分析

《Environmental Research》：Experimental evaluation, backpropagation neural network prediction and bibliometric analysis of bioelectricity production from agricultural wastes by microbial fuel cell

　　

• 研究了不同农业废弃物的发电性能 • 在电流密度为29.45 mA/m2时，最大功率密度达到26.02 mW/m2 • 稻壳水解残留物可作为稻壳进行燃烧发电 • BP神经网络模型可有效预测微生物燃料电池（MFC）功率密度性能 • 文献计量分析揭示了生物质-MFC技术的演变和研究热点 引言 农业废弃物主要指农业生产和加工过程中产生的各类副产品（Sadh等，2023）。它被认为是有机固体废物中占比最大的组成部分之一，约占20%至60%（Pramanik，2022）。据"联合国环境规划署"报告，全球每年产生约5.5亿吨农业废弃物，预计到2025年将达到6亿吨（Djandja等，2023）。农业废弃物的不当管理可能引发多种环境和人体健康问题：1）土地污染。农业废弃物直接弃置或掩埋于土壤中，可能导致营养物质在土地表面积聚，从而造成土壤污染和生态系统退化（Zhang等，2023）。2）空气污染。农业废弃物在储存和运输过程中会排放大量有机气体，如甲烷、二氧化碳和一氧化碳。这些气体将对空气质量产生负面影响并加剧温室效应（Zou等，2020）。3）水污染。农业废弃物不当排入水体可能导致水体富营养化和水污染，对水生生物和人体健康构成威胁（Thines等，2017）。4）生态破坏。未经处理的农业废弃物可能对生态环境造成严重损害，如破坏野生动植物的生存环境，影响生物多样性并破坏生态平衡（Salama等，2021）。目前，农业废弃物主要通过堆肥、发酵、燃烧和发电等方式进行处理（Ci等，2017），但这些方法可能导致能源利用率低、温室气体排放和二次污染等一系列问题（Moradian等，2021）。在"双碳"目标背景下，迫切需要采用绿色可持续技术实现农业废弃物的资源化利用和回收（Bhatia等，2021）。 微生物燃料电池（MFC）可通过微生物代谢反应将有机物转化为电能（Liu等，2004）。在阳极中，具有胞外电子传递能力的产电微生物附着并生长在电极表面（Logan等，2019）。有机污染物被产电微生物氧化以获取电子和质子。电子通过外部导线传递至阴极，而质子则通过质子交换膜（PEM）迁移至阴极室（Arulmani等，2021）。在阴极中，电子、质子和氧化剂反应生成稳定的还原产物（H?O和O?），从而完成整个能量转化的电化学过程（Li等，2023）。近年来，随着可再生能源和环境保护意识的不断提高，MFC研究受到了广泛关注（Mohammed等，2022；Naveenkumar和Senthilkumar，2021）。然而，MFC的工业化应用面临一系列挑战，如提高MFC性能和稳定性以及降低成本（Cheng等，2020）。 竹屑、菌棒和稻壳是富含纤维素、半纤维素和木质素等有机组分的常见农业废弃物（Igalavithana等，2020）。然而，农业废弃物中的有机物（如纤维素）以大分子形式存在，无法被MFC中的微生物直接利用（Kumar等，2022；Shahid等，2026）。需要将其转化为易被微生物利用的小分子物质（如葡萄糖）（Chen等，2022）。由于生物酶解可在温和的温度和压力条件下进行，因此被认为是一种有前途的农业废弃物预处理方法（Gomes等，2022）。由于水解产物具有高生物降解性，可作为MFC的阳极底物用于发电（Guo等，2022），从而实现农业废弃物的能量转化。 智能算法和多目标优化技术可用于MFC反应中的微生物菌种选择、电极材料设计和电化学条件控制（Liu等，2022）。据报道，遗传算法被用于优化MFC中微生物的代谢途径，以提高能量输出和电化学效率（Tao等，2021）。粒子群优化算法被用于改进电极材料和结构设计（Malekmohammadi和Mirbagheri，2022）。此外，神经网络和机器学习被用于预测。通过调整MFC反应参数可以实现稳定持续的电流输出（Gerard等，2018）。Li等（2021）使用遗传算法优化了MFC的电极材料和结构，通过优化多目标函数提高了MFC的发电性能。Huang等（2021）使用蚁群算法快速准确地搜索微生物代谢途径的最优组合，提高了MFC的发电性能，为MFC的优化设计提供了一种新方法。 随着生物质资源高值化利用和MFC技术的快速发展，该领域的研究呈现出显著增长趋势（Dessie等，2020）。近期研究进一步探索了农业废弃物资源化与可持续能源生产及材料开发的结合。Shahid等（2026）综述了农业和工业废弃物转化为纤维增强复合材料的循环资源化途径以实现环境可持续性。Zhou等（2026）研究了通过酸水解促进基于菌棒基质的MFCs发电。Nguyen等（2026）考察了竹水解产物在MFCs中的发电情况。这些贡献凸显了将农业废弃物转化为能源和材料应用的研究兴趣日益增长。为系统梳理该领域的研究背景、演变特征和前沿方向，有必要从宏观视角对现有研究进行定量分析。文献计量分析通过统计和可视化评估发表文献的时间分布、研究主体和关键词网络，可以揭示特定研究领域的整体发展趋势和热点演变，从而为后续实验研究提供清晰的学术背景和研究方向（Karimi等，2021；Wang等，2023）。 尽管农业废弃物作为MFCs底物已引起相当大的研究兴趣，但以往研究仍存在几个关键局限。首先，大多数研究主要局限于考察单一废弃物类型的生物电产生潜力或优化特定操作变量，而缺乏对不同农业废弃物电化学性能的跨种类系统对比。其次，早期工作中智能算法主要用于电极设计、操作参数优化或微生物代谢调控，但很少有关于使用农业废弃物供能MFC的实验数据来预测功率密度的应用报道。第三，实验评估、BP神经网络预测和文献计量趋势分析通常作为独立研究开展，现有文献中缺乏将这三种方法协同结合的综合框架。 因此，本研究建立了一个综合研究范式，整合了农业废弃物预处理、MFC电化学表征、基于BP神经网络的功率密度预测以及研究领域的定量文献计量评估。具体而言，构建了酶解和MFC的两阶段生物工艺，以比较不同农业废弃物（稻壳、竹屑和菌棒）的发电性能。建立了BP神经网络模型用于预测功率密度。此外，通过文献计量分析系统评估了生物质相关MFC研究的全球发展特征。这三种方法的整合提供了一个从宏观趋势分析到实验验证和预测建模的综合框架。本研究有望为可再生能源生产提供理论基础，并通过农业废弃物回收利用为循环经济作出贡献。 分节摘要 材料与方法 基于酶解和MFC两阶段生物工艺从农业废弃物中发电的整个实验流程如图1所示。主要分为三个部分：1）农业废弃物制备和酶解；2）MFC组装和制备；3）MFC运行和测量。 农业废弃物的酶解处理 图3展示了酶解处理过程中农业废弃物（稻壳、竹屑和菌棒）葡萄糖浓度随时间的变化。研究发现，在酶解初期，农业废弃物水解液中的葡萄糖浓度迅速升高。菌棒水解液在最初30分钟内葡萄糖浓度即可达到3.5 g/L。在稻壳和竹屑的水解过程中，葡萄糖的增长为 结论 本研究建立了一个整合实验评估、BP神经网络预测和文献计量分析的综合框架，用于农业废弃物的生物电生产。本工作的主要贡献有三方面。首先，在相同实验条件下系统对比了三种农业废弃物（菌棒、稻壳和竹屑）的电化学性能。稻壳水解液表现出最高的 CRediT作者贡献声明 张子扬：形式分析，数据整理。黄金刚：方法学，调查研究。李环宣：验证，监督。高潮：撰写——初稿，可视化，方法学，形式分析，数据整理，概念构思。何怡：可视化，数据整理。徐晓斌：监督，资源获取。侯平志：调查研究，资金获取。方晓萌：验证，资源获取。韩伟：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，方法学，数据 数据可用性声明 数据可用性：支持本研究结果的数据以汇总值、表格和图表的形式呈现在论文中。本版本未将数据集存储于公共仓库。如需获取原始数据，请联系通讯作者。 利益冲突声明 ? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。 致谢 本研究受浙江省自然科学基金（LTGS23E080007）、浙江省2025年大学生科技创新活动计划（新人才项目）（2025R407A021）和国家重点研发计划（2022YFE0210700）资助。 高潮|何怡|陈锡凯|赵苗苗|韩伟|方晓萌|张子扬|黄金刚|李环宣|徐晓斌|侯平志