匍匐翦股颖构建的放大型红壤人工湿地-微生物燃料电池中全氟辛酸耦合去除与生物产电机制研究

《Resources Environment and Sustainability》：Coupled PFOA Removal and Bioelectricity Generation in a Pilot-Scale Agrostis stolonifera Constructed Wetland-Microbial Fuel Cell

　　

全氟辛酸（perfluorooctanoic acid, PFOA）因其强C–F键赋予的卓越化学稳定性和表面活性，被广泛应用于快餐包装及防水防污涂层等工业产品。然而这些特性也使PFOA在环境中高度持久，导致显著的生物富集和长期生态风险。现有针对PFOA污染废水的修复方法（包括光催化、化学氧化与还原、电化学降解及电子束辐照）往往受限于高能耗、催化剂回收困难和二次污染风险，制约了其规模化应用。人工湿地-微生物燃料电池（constructed wetland–microbial fuel cells, CW–MFCs）为处理难降解污染物提供了一条新型低能耗途径。本研究报道了利用匍匐翦股颖（Agrostis stolonifera）构建以红壤为基质的CW–MFC系统，用于同时去除废水中PFOA、实现植物富集并产生电能。通过整合污染物迁移分析、电化学表征、多组学分析及植物生理评估，研究人员系统阐明了在A. stolonifera–CW–MFC系统中植物-电路相互作用驱动PFOA积累与电子传递的耦合机制。闭路种植CW–MFC（C-PMFC）实现了94.9%的PFOA去除率，最大功率密度达到670 mW/m³。闭路模式显著促进了A. stolonifera的生长和生理活性，根系和叶片中PFOA积累量分别达到976.8和1040.4 ng/g。宏基因组分析揭示了产电相关微生物（如Geobacter、Nitrospira、Geomonas和Dechloromonas）在阳极的富集，以及趋化性、电子传递和能量代谢相关基因丰度的提升。代谢组学分析表明，电极生物膜和根际中有机酸、氨基酸及芳香族中间产物的积累构建了连续的代谢级联过程。基于超高效液相色谱-高分辨质谱（UHPLC–HRMS）检测到的氟化产物，研究人员提出了两条可能的PFOA转化途径，包括逐步链缩短机制和脱羧-脱氟-环化途径。闭路系统中全氟十一烷酸（PFUnDA）的独家检出进一步表明高还原性电极微环境可诱导碳链偶联反应。上述发现为开发低能耗、可持续的全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染水体修复策略以及推进CW–MFC技术的实际应用提供了机制层面的认识和技术支撑。

**论文解读**

**一、研究背景与问题提出**

全氟辛酸（perfluorooctanoic acid, PFOA）是一类典型的全氟和多氟烷基物质（PFAS），因其分子中C–F键具有极高的键能，赋予了PFOA卓越的化学稳定性和表面活性，使其在快餐包装、防水防污涂层等工业领域得到广泛应用。然而，正是这些结构特性导致PFOA在自然环境中极难降解，具有显著的生物富集效应和长期生态风险。已有研究表明，PFOA可干扰生物体的代谢过程，通过改变食物网结构和微生物群落功能削弱生态系统的自我调节能力。在受工业排放影响的区域，地表水中PFAS浓度可高达496 μg/L，对水环境安全构成严峻威胁。2019年，PFOA被列入《斯德哥尔摩公约》限制清单。然而环境中既存的PFOA遗留负担依然沉重，现有产品及污染场地的持续释放短期内难以根除。据估算，彻底清除全球每年排放到环境中的PFAS所需的经济成本可能超过全球国内生产总值（约106万亿美元）。因此，依赖高能耗和高成本的修复策略不具备长期环境管理的可行性。

当前针对PFOA污染废水的修复技术包括光催化、化学氧化还原、电化学降解及电子束辐照等，普遍存在能耗高、催化剂回收困难及二次污染风险等问题，限制了大规模应用。生物处理策略虽然因可持续性和环境相容性而备受关注，但PFOA的氧化还原电位极低（约?450 mV），使其难以作为微生物直接还原的有效电子受体，限制了微生物呼吸和能量产生，无法为C–F键断裂和脱氟提供持续的驱动力。因此，如何在低能量条件下激活微生物代谢和电子传递过程以促进PFOA有效转化，仍是环境工程领域的根本性挑战。人工湿地-微生物燃料电池（constructed wetland–microbial fuel cells, CW–MFCs）提供了一种新型低能耗处理难降解污染物的途径，可在无外部能量输入的条件下建立稳定的内部微电场，具有较好的实际应用前景。此外，在基质选择方面，传统CW-MFC中使用的砾石和生物炭等基质成本相对较高，而以天然土壤为基质因低成本、易获取和高环境适应性而受到关注。中国江西和湖南是红壤主要分布区，红壤富含矿物颗粒、黏土矿物和有机质，具有良好的缓冲能力和微生物定殖潜力，已有研究证实了红壤作为MFC基质的可行性。

**二、研究目的与意义**

本研究旨在利用匍匐翦股颖（Agrostis stolonifera）构建以红壤为基质的CW–MFC系统，实现废水中PFOA的同步去除、植物富集和生物产电。通过污染物迁移分析、电化学表征、多组学分析和植物生理评估的整合研究，系统阐明植物-电路相互作用驱动PFOA积累与电子传递的耦合机制。该研究为开发低能耗、可持续的PFAS污染水体修复策略和推进CW–MFC技术的实际应用提供了机制层面的认识和技术支撑。

**三、关键技术方法概述**

研究人员构建了三套以红壤为基质的CW–MFC反应器（有效工作体积27 L，属放大型规模），分别设置为闭路未种植（C-UPMFC）、闭路种植A. stolonifera（C-PMFC）和开路种植A. stolonifera（O-PMFC）三种模式，用于处理50 μg/L PFOA废水。系统采用上流式连续进水方式（4.44 mL/min，每日进水8小时，停水16小时），种植密度为278株/m²，连续运行60天至系统稳定。PFOA含量采用Agilent LC 1260 Infinity II–6465B液相色谱系统进行分析，植物组织经甲醇超声提取后测定。出水氟化产物采用Vanquish Flex超高效液相色谱联用Orbitrap Exploris 120质谱（UHPLC–HRMS）进行定性鉴定。电极生物膜和根际微生物的代谢物采用非靶向代谢组学方法分析（Vanquish UHPLC–Q Exactive系统）。微生物群落结构和功能基因通过绝对定量宏基因组测序进行分析，采用内标法实现基因拷贝数的绝对定量。电化学性能通过极化曲线、循环伏安法（CV）、Tafel分析和计时电流法（CA）等方法表征。植物生理生化指标包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性及丙二醛（MDA）含量、根系活力、光合色素含量等均采用商品化检测试剂盒测定。此外，采用高角环形暗场扫描透射电子显微-元素分布分析（HAADF-STEM-Mapping）和激光共聚焦扫描显微镜（CLSM）分别对植物组织元素分布和微生物活性进行成像分析。

**四、主要研究结果**

（1）植物与电路模式对PFOA废水处理和产电性能的影响

闭路种植系统（C-PMFC）在出水水质和PFOA去除方面表现最优，PFOA去除率达到94.9%，高于开路种植系统（O-PMFC，90.5%）和闭路未种植系统（C-UPMFC，88.2%）。C-PMFC出水化学需氧量（COD）最低（14.6 mg/L），溶解氧（DO）保持在1.02 mg/L，pH维持近中性（7.30），为微生物代谢和电化学反应提供了有利条件。在脱氮方面，C-PMFC实现了最低的出水总氮（TN）、氨氮（NH₄⁺-N）和硝酸盐氮（NO₃^?-N）含量，表明植物-微生物-电极的协同作用有效强化了硝化-反硝化耦合过程。在产电性能方面，C-PMFC输出电压达0.408 V，最大功率密度达670 mW/m³，为C-UPMFC的2.51倍；归一化能量回收（NER）和库仑效率（CE）分别达到5.03×10^-3 kWh/kgCOD和2.22‰。CV分析显示C-PMFC具有更高的电容（163.0 mF），CA分析表明其总电荷量达1.02 C，Tafel分析证实其交换电流（i₀）为2.78 mA，均优于其他处理。闭路模式同时显著促进了A. stolonifera的生长——株高和根长分别增加24.2%和46.2%，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均有所提升，根系活力达到16.3 μgTTC/(g·h)，较O-PMFC提高75.3%。PFOA在C-PMFC根系和叶片中的积累量分别达976.8和1040.4 ng/g，较O-PMFC分别提高279.9%和122.2%。累积质量平衡分析表明，植物吸收在C-PMFC中占总进水PFOA负荷的34.60%，而在O-PMFC中仅占12.31%。HAADF-STEM-Mapping进一步证实了氟元素在植物根叶组织内的分布。

（2）基于宏基因组的微生物群落结构绝对定量演替

CLSM成像显示，A. stolonifera的存在提高了阳极活细胞比例，C-PMFC阳极生物膜活/死细胞比达到14.779，高于O-PMFC（14.082）；闭路模式同样提高了根际微生物的活/死细胞比（闭路4.219 vs 开路4.025）。宏基因组绝对定量分析揭示，典型产电菌Geobacter、Nitrospira、Dechloromonas和电养菌Geomonas在C-PMFC阳极中丰度最高，分别达到1.59×10⁹、1.55×10⁹、1.07×10⁸和7.07×10⁸ gene copies/g。真菌方面，产电相关属Trichoderma在C-PMFC阳极中丰度最高（2.53×10⁵ gene copies/g），Aspergillus则在C-UPMFC阳极中丰度最高。相关性分析表明产电相关细菌的绝对丰度与最大功率密度呈正相关。此外，闭路模式下阳极中产电相关基因与关键微生物类群的协同富集是其优异电化学性能的核心基础。

（3）电极生物膜和A. stolonifera根际的代谢组学分析

阳极生物膜（–A）代谢物中，正离子模式下苯及其取代衍生物占比最高（23.20–40.93%），表明阳极生物膜具有强烈的芳香族化合物降解潜力；有机酸（15.28–15.48%）、生物碱和氨基酸及其衍生物为阳极产电微生物提供了可利用的碳源和电子供体。负离子模式下有机酸占比最大（25.87–30.87%），且C-PMFC阳极和根际中有机酸比例均高于开路模式，表明闭路模式增强了有机酸代谢。有机酸（如乙酸、丁酸等）是电活性微生物最优先利用的电子供体，其中乙酸是Geobacter的主要电子供体。氨基酸及其衍生物不仅可作为电子供体，还有助于产电微生物群落在阳极表面的定殖和稳定。植物根系分泌物将可溶性有机碳输送至阳极区域，强化了底物可利用性、微生物代谢与电子释放之间的耦合。

（4）PFOA降解途径的提出

UHPLC–HRMS定性分析在所有系统出水中一致检出多种氟化产物，包括芳香族氟化物五氟苯（C₆HF₅）和1,2,3,4-四氟苯（C₆H₂F₄），原始污染物PFOA（C₈HO₂F₁₅），以及短链全氟羧酸全氟丁酸（PFBA, C₄HF₇O₂）和全氟戊酸（PFPeA, C₅HF₉O₂）。全氟十一烷酸（PFUnDA, C₁₁HF₂₁O₂）仅在C-PMFC中检出。基于上述产物，研究人员提出两条可能的PFOA转化途径：途径I为逐步链缩短机制，通过连续断裂–CF₂单元依次生成PFPeA和PFBA，最终矿化为CO₂和F^?；途径II为脱羧-脱氟-环化途径，PFOA经深度脱羧产生全氟烷基自由基，继而经连续脱氟、碳链断裂、分子重排和环化，最终生成稳定的芳香族氟化物五氟苯和1,2,3,4-四氟苯。PFUnDA在C-PMFC中的独家检出表明，高还原性电极微环境中可能发生全氟烷基自由基之间的碳链偶联反应，反映了C-PMFC系统更强的电化学反应活性和还原转化能力。

**五、总结与结论**

本研究系统证明了A. stolonifera与闭路模式的耦合能够显著增强放大型红壤CW–MFC中PFOA的去除、废水净化效率和生物产电能力。C-PMFC实现了94.9%的高PFOA去除率、优异的有机物和氮素去除效果以及显著提升的产电性能。闭路模式促进了根系发育，提高了光合色素含量和抗氧化酶活性，增强了根系代谢活性，促进了污染物在植物组织内的积累和转运。根系泌氧和有机分泌物可构建空间异质性氧化还原微环境并持续供应生物可利用碳源，从而刺激微生物代谢和胞外电子传递。电化学分析揭示A. stolonifera-闭路耦合改善了电极活性、降低了内阻并加速了电子转移动力学。宏基因组和代谢组学分析进一步证实了电活性功能微生物群落的富集以及趋化性、电子传递、抗逆性和能量代谢相关基因丰度的提升；电极生物膜和根际区有机酸、氨基酸和芳香族中间产物的积累构建了连续的代谢级联，实现了高效底物利用和电子生成。基于检出氟化产物及已有文献机制，研究提出了两条PFOA转化途径。综上，该研究全面揭示了植物-电路耦合驱动污染物转化、微生物功能演替和能量回收的机制，凸显了红壤CW–MFC作为处理难降解氟化污染物同时产生可再生生物电能的一种可持续多功能技术的巨大潜力。