《Bioresource Technology Reports》：Waste-to-energy conversion of fruit waste in soil microbial fuel cells using an indigenous electroactive
Stutzerimonas stutzeri
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摘要水果废弃物是一种丰富的有机资源，可用于同时处理废弃物和产生生物电。利用水热预处理水果废弃物提取物和从水果废弃物处置场分离的本土 Stutzerimonas stutzeri FFJW 菌株，构建了一种无膜土壤微生物燃料电池 (SMFC)。该反应器在间歇条件下使用灭菌土壤运
摘要
水果废弃物是一种丰富的有机资源，可用于同时处理废弃物和产生生物电。利用水热预处理水果废弃物提取物和从水果废弃物处置场分离的本土 Stutzerimonas stutzeri FFJW 菌株，构建了一种无膜土壤微生物燃料电池 (SMFC)。该反应器在间歇条件下使用灭菌土壤运行，并设置了非生物对照进行比较。SMFC 的最大开路电压达到 529 mV，在 150 Ω 外部负载下的最大电压为 490 mV，对应的电流密度和功率密度分别为 694 mA m?2 和 341 mW m?2，绝对功率约为 1.6 mW。化学需氧量和总有机碳分别降低了 82% 和 77%，表观库仑效率为 31.57%。扫描电子显微镜 (SEM) 证实碳布阳极上形成了致密的生物膜。这些结果表明，本土电活性细菌在将水果废弃物处理与生物电产生相结合方面具有潜力。
引言
全球人口增长、饮食习惯的改变以及对加工食品需求的增加，多年来推动了食品生产和加工的惊人增长。这导致每年产生大量的有机残留物，给环境和资源管理带来了严重问题。水果废弃物具有高含水率和快速生物降解性，在这些废弃物中占有相当大的比例。它们经常被填埋或释放到环境中进行不受控制的降解，导致温室气体排放和潜在有价值的碳资源流失 (Min 和 Logan, 2004)。最近的报告估计，食品和农业工业残留物如果管理不当，会对全球甲烷排放产生重大贡献，这强调了制定可持续增值策略的紧迫性 (Elmekawy 等，2014)。因此，向循环生物经济迈进需要开发先进和可持续的技术，将此类复杂生物质转化为增值产品，特别是可再生能源 (Sani 等，2021)。
在过去十年中，大量研究证明了使用各种有机废弃物（如农业残留物、城市废水和食品废弃物）作为生物电化学系统 (BES) 中的底物的可行性，从而实现同时处理废弃物和回收能量 (Pandey 等，2016)。例如，使用木质纤维素残留物和食品废弃物水解物的研究声称除了大幅降低化学需氧量 (COD) 外，还能产生功率输出 (Ledezma 等，2013)。此外，电极材料和反应器设计的改进也是提高电化学效率的一个因素，尽管可扩展性仍然是所有 BES 配置面临的主要挑战 (Clauwaert 等，2008)。土壤微生物燃料电池 (SMFCs) 因其操作成本低、对外部电解质要求低以及适合原位和分散式应用而越来越受到关注 (Qi 等，2025)。以前的研究已经检查了 SMFC 中的稻草、甘蔗汁、堆肥水和根际分泌物等底物，展示了其在生物修复和生物电生产方面的潜力 (Raychaudhuri 和 Behera, 2023; Umar 等，2021)。特别是，研究重点关注了土壤微生物群落促进有机物降解和电子传递的重要性。
然而，尽管取得了这些进展，与传统的微生物燃料电池系统相比，SMFC 系统的功率输出仍然相对较低。人们认为，这种限制是由于土壤基质的内阻高、离子电导率低以及电极与微生物之间的电子传递低。此外，系统的性能受到电极设计的影响，电极设计直接影响生物膜形成、电子传递速率和系统的电化学活性。此外，电极设计强烈影响系统性能。石墨棒和碳毡等传统电极往往表面积有限且生物膜形成差，导致胞外电子传递 (EET) 效率低下 (Dziegielowski 等，2023)。虽然碳纳米管和石墨烯等先进的碳基纳米材料可以提高性能，但其高昂的成本和环境影响显著 (Wang 等，2015)。因此，开发低成本导电材料是一个关键的研究优先事项。此外，食品废弃物的复杂木质纤维素结构构成了一个重大的生物学瓶颈 (Rumora 等，2023)。
据报道，预处理技术，特别是水热预处理，可以促进复杂有机底物的溶解，并可能促进随后的微生物利用，从而提高能量回收率 (Cui 等，2020)，(Ebadinezhad 等，2019; Pant 等，2010)。
为了克服这些挑战，本研究引入了一种集成 SMFC 系统，用于通过使用水果废弃物底物的水热预处理和本土外排电子分离株 Stutzerimonas stutzeri FFJW 来有效利用食品废弃物。本研究选择的菌株以其形成强健生物膜、通过胞外电子传递高效生长以及良好适应土壤的能力而闻名。使用简化的电极配置，该系统实现了 341 mW m?2 的最大功率密度，COD 和 TOC 去除效率分别为 82% 和 77%。这些结果表明，将水热预处理与单一本土电活性分离株相结合可以解决底物难降解性问题，为循环生物经济内的分散式废弃物转化能源应用提供了一个可持续的框架。
章节摘要
接种物制备
从印度理工学院鲁尔基沙哈兰普尔校区附近的果汁和蔬菜废弃物处置区域采集沉积物样本。通过连续稀释进行分离和富集。然后将富集培养物 (100 mL) 涂布在罗氏培养基 (LB) 琼脂平板上，并在 37 °C 下孵育 48 小时。挑选形态上独特的菌落，通过重复亚培养进行纯化以获得纯培养分离株。为了了解具有更高生物膜形成能力的菌株，筛选
结果与讨论
本研究展示了使用土壤微生物燃料电池 (SMFC) 系统有效地将复杂水果废弃物 (F/W) 增值为生物电。为了确认观察到的性能是由生物驱动的，使用灭菌土壤和水热预处理水果废弃物提取物（不进行微生物接种）在相同条件下运行了一个非生物对照反应器。为了建立电化学性能和有机物非生物变化的基线
可持续性与工艺适用性
所提出的系统高度符合循环生物经济的原则，因为它允许在产生有用和可再生的电能时重新利用高浓度有机废物流 (FW – 水果废弃物)，从而最大限度地减少废弃物填埋和通过能源密集型过程处置对环境的影响。这种方法有助于降低温室气体 (GHG) 排放，并有助于将资源转化为生物电，从而实现可持续的废弃物管理。
与先前报告的 SMFC 和废弃物转化能源系统的比较
表 2 比较了本 SMFC 系统与文献中选定研究的性能。然而，功率密度的直接比较应谨慎进行，因为不同研究在反应器配置、电极材料、底物组成、反应器尺寸、操作条件和功率密度归一化方法方面存在显著差异。因此，表 2 中的比较旨在仅提供一种定性的感觉
结论
作者表明，复杂水果废弃物可以作为土壤微生物燃料电池 (SMFC) 系统的底物。基于土壤的系统通常受限于高内阻、低电子传递效率和低底物生物利用度。在本研究中，使用本土电活性土壤分离株 Stutzerimonas stutzeri FFJW 以及水热预处理水果废弃物，与非生物对照相比，表现出改善的性能；内部
CRediT 作者贡献声明
阿比纳夫·库马尔·辛格：写作 – 初稿，可视化，资源，调查。拉胡尔·高塔姆：写作 – 审阅与编辑，验证。高拉夫·马尼克：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理。
利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Gaurav Manik 教授报告与朱拉隆功大学工程学院存在以下关系：雇佣。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
阿比纳夫·库马尔·辛格 | 拉胡尔·高塔姆 | 高拉夫·马尼克
聚合物与工艺工程系，印度理工学院鲁尔基，北阿坎德邦，247667，印度
