使用海藻生物炭-四氧化三铁（Fe3O4）纳米复合阳极和耐盐产电细菌的微生物脱盐电池（MDCs）中同时脱盐、苯酚降解和生物电产生的集成方法

《Next Nanotechnology》：Integrated approach for concurrent desalination, phenol degradation, and bioelectricity generation in MDCs using seaweed Biochar–Fe?O? nanocomposite anodes and halotolerant exoelectrogenic bacteria

　　

微生物脱盐电池（MDCs）是一种新兴技术，能够同时进行废水处理、脱盐和生物电产生。在本研究中，研究人员制备了一种海藻生物炭/四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米复合材料，并将其用作改性阳极以改善MDC的性能。该纳米复合阳极表现出增强的物理化学和电化学特性，提供了一个生物相容且导电的表面，促进了微生物附着和电子传递。研究人员评估了该系统同时进行苯酚降解、盐水脱盐和发电的性能。MDC系统成功降解了苯酚、脱盐了盐水并产生了生物电，并且纳米复合阳极在改善系统性能方面的作用是明显的。此外，为了确保在高盐度下微生物活动的成功，研究人员从Sambhar湖分离了一株耐盐产电细菌菌株（Bacillus paralicheniformis RKMSU_1；GenBank登录号PZ379936），并将其作为生物强化剂应用。该菌株增强了盐胁迫下的微生物稳定性和活性。本研究中展示的材料-微生物组合方法是提高MDC性能和稳定性的关键策略。这项研究证明了使用基于纳米材料的电极结合耐盐微生物群落成功处理含盐和含苯酚废水的可行性。

论文解读文章

**研究背景与问题**

微生物脱盐电池（MDCs）作为一种新兴的可持续技术，能够同时实现废水处理、脱盐和生物电产生，具有解决水污染、能源短缺和淡水匮乏等全球性挑战的潜力。然而，传统碳基阳极材料存在表面反应活性低、导电性不足和生物相容性差等问题，限制了微生物附着和电子传递效率。此外，在MDC运行中，高盐度环境会抑制微生物代谢活性，影响生物膜形成，导致系统性能下降和稳定性不足。现有研究多集中于电极材料改性，但针对耐盐产电微生物筛选与集成的研究较少。因此，本研究旨在通过开发海藻生物炭-四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米复合阳极，并结合耐盐产电细菌，解决上述问题，实现MDC在含盐含酚废水处理中的高效协同运行。

**研究内容与结论**

研究人员制备了海藻生物炭-Fe₃O₄纳米复合阳极，系统表征了其物理化学和电化学特性；构建了三室MDC装置，评估了该复合阳极对苯酚降解、盐水脱盐和生物电产生性能的影响；同时，从印度Sambhar湖分离并鉴定了一株耐盐产电细菌（Bacillus paralicheniformis RKMSU_1），将其作为生物强化剂引入MDC，以增强系统在高盐环境下的稳定性和效率。研究结果表明，复合阳极显著提升了电子传递速率和微生物附着能力，实现了高效的苯酚降解（在100 ppm浓度下达到100%去除）、脱盐效率（55–75%）和功率密度（最大约5.7 W/m3）。耐盐菌的引入进一步加速了启动过程，提高了电压稳定性和功率密度（约4.1 W/m3），并增强了系统在高盐度下的长期运行稳定性。该研究证明了材料-微生物协同策略在MDC中的可行性，为处理含盐含酚工业废水提供了可持续的解决方案。论文发表在《Next Nanotechnology》。

**主要技术方法**

研究人员采用的关键技术方法包括：1）海藻生物炭的合成：通过KOH化学活化和高温（800°C）N₂气氛下碳化制备多孔生物炭；2）Fe₃O₄纳米颗粒的化学共沉淀法制备；3）复合材料的制备：将Fe₃O₄纳米颗粒按不同质量比（5–20 wt%）与海藻生物炭复合，涂覆于石墨电极上；4）MDC三室反应器构建（150 mL/室），使用RALEX离子交换膜；5）耐盐产电细菌的分离与鉴定：从Sambhar湖（印度）采集样本，通过乙酸-柠檬酸铁富集培养基筛选，并基于16S rRNA基因测序鉴定为Bacillus paralicheniformis RKMSU_1；6）电化学表征：包括循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和恒电流充放电（GCD）测试；7）污染物分析：采用4-氨基安替比林比色法和HPLC检测苯酚浓度，化学需氧量（COD）和总有机碳（TOC）评估矿化效率；8）生物膜分析：共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察生物膜形态与生物量。

**研究结果**

**3.1 表征技术**：通过扫描电子显微镜（SEM）观察，Fe₃O₄纳米颗粒呈均匀球形团聚体，海藻生物炭具有多孔海绵状结构，复合后Fe₃O₄均匀嵌入生物炭基质中，形成导电且多孔的电极表面。X射线衍射（XRD）显示复合物同时保留了Fe₃O₄的晶体峰和生物炭的无定形碳特征，表明成功整合。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实Fe-O键和生物炭含氧官能团（如-OH、C=O）共存，且存在相互作用。拉曼光谱（Raman）显示D带和G带，I_D/I_G比值表明Fe₃O₄的引入改善了结构有序性。

**3.2 MDC中的苯酚降解**：吸附实验表明，生物炭对苯酚的吸附在28–30 h达到平衡，吸附容量约12.5 mg/g，符合Langmuir等温线模型（单分子层吸附）。在100 ppm苯酚浓度下，悬浮系统（仅微生物）在10–12 h内达到100%去除，而纳米复合MDC系统需约20 h达到相同效率。在250 ppm下，悬浮系统仅达到80–85%去除，而MDC达到~95%。在400 ppm下，悬浮系统仅~60–65%，MDC达到~80%。HPLC色谱图证实苯酚峰随时间消失，表明发生了真正的微生物电化学氧化而非单纯吸附。

**3.3 BET比表面积分析**：氮气吸附-脱附等温线显示，Fe₃O₄-生物炭复合材料具有高比表面积和微孔-介孔网络，有利于污染物扩散和吸附-生物降解协同。

**3.4 Fe₃O₄+生物炭作为阳极修饰的电化学有效性**：循环伏安法（CV）显示，2 mg/cm2复合阳极的CV环面积显著大于未修饰电极，表明更高的电流响应和电荷存储能力。电化学阻抗谱（EIS）显示复合阳极的半圆直径更小，电荷转移电阻约为1.20 Ω，说明导电性优异。

**3.5 极化研究**：EIS Nyquist图显示2 mg/cm2复合阳极的电荷转移电阻最低。CV曲线表明2.5 mg/cm2电极具有最高电流响应，但功率密度测试显示2 mg/cm2电极达到最大功率密度约5.7 W/m3。半电池电位分析表明，复合阳极的阳极电位更负，改善了细胞极化特性。

**3.6 MDC性能评估**：库仑效率在2 mg/cm2复合阳极下达到8–9%，远高于未修饰系统的2–3%。脱盐效率在2.5 mg/cm2复合阳极下为55–75%，高于未修饰系统的30–45%。COD去除效率在2 mg/cm2下达到约75%，较未修饰系统的40–45%显著提升。

**3.7 CLSM生物膜分析**：共聚焦激光扫描显微镜显示，2 mg/cm2复合阳极表面形成致密连续生物膜，生物量体积约3.8–4.0 μm3/μm2，远高于未修饰电极的2.0 μm3/μm2，表明复合阳极促进微生物附着和生物膜稳定。

**3.8 耐盐生物强化**：从Sambhar湖分离的Bacillus paralicheniformis在15–35 g/L NaCl范围内生长良好，具有耐盐性和产电能力（通过柠檬酸铁还原证实）。生物强化增强了MDC在高盐条件下的微生物稳定性和电化学性能。

**3.9 细菌鉴定**：16S rRNA基因测序和系统发育分析确定该菌株为Bacillus paralicheniformis RKMSU_1（GenBank登录号PZ379936）。

**3.10 耐盐生物强化对启动行为和电化学性能的影响**：生物强化MDC的启动电压上升更快，更早达到稳定，最大功率密度约4.1 W/m3，高于仅使用Pseudomonas aeruginosa的MDC。极化曲线显示生物强化系统具有更高的电压保持率和更低的内部电阻。

**3.11 技术可行性与可扩展性**：海藻生物炭-Fe₃O₄纳米复合材料的制备过程可扩展，成本低，且具有多功能性，能够同时实现脱盐、苯酚降解和能源回收，适合从工业规模到分散式处理系统的应用。

**讨论与结论**

讨论部分指出，复合阳极的多孔导电结构促进了微生物附着和电子传递，Fe₃O₄纳米颗粒作为导电桥降低了电荷转移电阻。Pseudomonas aeruginosa形成稳定生物膜，并通过内源性氧化还原介体（如吩嗪）增强电子传递。耐盐菌Bacillus paralicheniformis在高盐度下维持代谢活性，与电活性菌形成协同作用，提高了系统稳定性和降解效率。脱盐性能的提升与阳极氧化速率增加导致的离子迁移增强相关。该研究强调了材料-微生物协同策略在MDC中的关键作用。

结论部分翻译如下：在本研究中，成功开发了一种基于海藻生物炭-Fe₃O₄纳米复合阳极的高性能微生物脱盐电池，用于同时进行苯酚降解、脱盐和生物电产生。将Fe₃O₄纳米颗粒掺入海藻多孔生物炭中显著改善了阳极的物理化学和电化学特性，特别是提高了导电性、微生物附着性和细胞外电子传递（EET）能力。为增强MDC的电化学活性和稳定运行，改性阳极被用作电活性生物膜形成的有利表面。开发的系统表现出高效的苯酚降解性能以及显著的脱盐和发电效率，明确表明纳米复合阳极的多功能性。Fe₃O₄纳米颗粒的吸附与导电/催化协同效应导致了更好的污染物去除和电子传递动力学。电化学表征还显示改性电极的电荷转移电阻降低、氧化还原行为改善。为应对高盐条件下微生物抑制问题，研究人员分离了一株耐盐产电微生物菌株Bacillus paralicheniformis，并用作生物强化手段。该菌株具有高耐盐性，有助于维持高盐条件下的微生物稳定性和电化学活性。耐盐菌与电活性微生物的共存可能促进了系统长期稳定性、底物降解和生物膜韧性。总体而言，本研究强调了利用生物质衍生的导电纳米复合材料与特定微生物群落开发先进生物电化学脱盐系统的巨大潜力。所开发的方法不仅为含盐废水和苯酚污染治理提供了环境友好型解决方案，还通过微生物代谢过程产生可再生能源。本研究结果为设计具有更高效率、稳定性和实际应用性的下一代微生物脱盐电池提供了宝贵见解，适用于实际废水处理和资源回收应用。