融合多物理场模拟与生物学见解，优化真菌生物增强的土壤微生物燃料电池

《Bioresource Technology》：Integrating multiphysics simulation and biological insights to optimize fungal-bioaugmented soil microbial fuel cells

　　

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  针对真菌生物增强型土壤微生物燃料电池（MFC）开发了一种二维多物理场模型。
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  模型再现了实验排序，误差低于0.6%（电流密度）和5.7%（功率密度）。
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  预测了初始除草剂浓度的最优窗口范围。
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  碳纤维通过改善界面接触增强了性能。
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  "异源真菌球"概念将增强产电与除草剂降解潜力相结合。

引言

现代农业中除草剂的密集使用显著提高了作物产量，但也导致土壤生态系统中难降解有机污染物的广泛积累。其中，甲基二氯甲喹丙胺（图1A），属于芳氧苯氧丙酸类（AOPP）家族成员，被广泛用于阔叶作物中禾本科杂草的防控。其残留物对环境与健康构成重大风险，包括免疫毒性、糖代谢紊乱以及水生生物的发育缺陷（Park等，2020；Xu等，2023）。由于其化学稳定性，甲基二氯甲喹丙胺在土壤中持久存在，并通过地表径流和淋溶迁移，威胁地下水和食品安全。其降解通常始于酯键的水解，该反应由羧酸酯酶（如FpbH酶）催化（Wang等，2017）。传统的修复技术，如物理挖掘、化学氧化和自然衰减，往往受限于高成本、二次污染或降解速率缓慢。因此，迫切需要开发经济高效、节能且环境可持续的修复技术。

微生物燃料电池（MFC）作为一种有前景的生物电化学技术，能够将污染物降解与发电相结合（Modesto等，2026；Yang等，2026）。与传统燃料电池不同，MFC利用微生物作为生物催化剂在阳极氧化有机底物，释放的电子通过外电路流向阴极，在那里氧气被还原为水（Burns等，2026）。这一机制无需外部电源，即可实现有机污染物的同步去除和能量回收。近年来，土壤MFC因其对受污染土壤的原位修复能力而受到越来越多的关注，尤其针对多环芳烃（PAHs）和除草剂等持久性有机污染物（Li等，2019；Li等，2020；Sarioglu等，2026）。然而，土壤固有的异质性，包括低孔隙率、有限的质量传递和高内阻，使其面临与水相MFC独特的挑战。

真菌生物增强（Florio Furno等，2026）最近被认为是克服土壤MFC局限性的一种强有力策略（Hao等，2025a）。外源真菌，如毛霉（Myrothecium verrucaria），拥有广泛的菌丝网络、丰富的胞外酶系统（如漆酶）和强大的环境适应能力（Kokkoris，2026）。这些特征使其能够穿透土壤孔隙，增加污染物与降解酶之间的接触面积，并为土著电活性细菌提供导电支架。这种协同相互作用形成了一种独特的功能性微生态热点，称为"异源真菌球"（Hao等，2025b）。先前的实验研究（Hao等，2024）表明，添加毛霉（M. verrucaria）和/或小青霉（Talaromyces）（Gao等，2019）可显著增强土壤MFC的发电和除草剂去除效率。例如，真菌生物增强组（B + Mv）实现了15.27 μA·cm?²的峰值电流密度和93.76%的60天除草剂去除率。

尽管取得了这些实验成果，但一个重要的研究空白仍然存在。现有研究主要关注性能改善的实验观察。虽然已有多种针对MFC的多物理场模型（表S1），但绝大多数是针对水相或微流控MFC（MMFCs）而设计的，侧重于流体动力学、电极几何形状或单物种生物膜（Picioreanu等，2007；Picioreanu等，2010；Ouyang等，2023；Liang等，2025）。例如，Li等（2024）开发了一种基于碳纤维电极的线状微流控燃料电池的三维计算模型，阐明了流体流动、物种传输和电化学反应之间的相互作用。至关重要的是，目前尚无全面的多物理场模型专门针对真菌生物增强型土壤MFC的独特特征——即真菌增强的非线性效应、污染物浓度的双重作用（底物促进与毒性抑制）以及在异质多孔介质中生物现象与电化学和质量传递过程的耦合。

为清晰区分本研究与现有基于COMSOL的MFC模型，我们在表S2中突出了关键创新。与以往主要关注均匀介质中物理质量传递或微生物生长动力学的研究不同，我们的模型引入了三个新型参数化因子，以弥合生物现象与工程设计之间的鸿沟：（1）真菌增强因子（f_fungi），直接调节阳极交换电流密度；（2）底物促进-毒性抑制函数（f_B(x)），捕捉初始除草剂浓度的非单调效应；以及（3）碳纤维增强因子（β_cf），考虑界面接触改善而非体导电性。此外，我们的模型将这些电化学参数与来自宏基因组学的生物证据相结合，提供了一个定量框架来解释"异源真菌球"机制。这种参数化、生物耦合的方法代表了相对于现有土壤MFC多物理场模型的重大进步。据此，本研究提出以下科学假说：（1）由真菌增强因子（f_fungi）、底物促进-毒性抑制函数（f_B(x)）和碳纤维增强因子（β_cf）参数化的二维等效多物理场模型，能够准确捕捉真菌生物增强型土壤MFC系统的非单调电化学响应——特别是最佳浓度窗口和碳纤维界面增强机制；以及（2）模拟的阳极反应动力学增强和预测的最佳操作窗口与"异源真菌球"的潜在生物机制（包括电活性菌属富集以及电子传递和脱卤功能基因）本质上是相关联的。为检验这些假说，本研究的具体目标是：（1）设计单室土壤MFC并建立二维等效COMSOL多物理场模型，整合二次电流分布和稀释物种传输，并采用真菌活性（f_fungi）、底物抑制（f_B(x)）和导电网络增强（β_cf）的新型参数化表示；（2）针对已建立的实验数据集（Hao等，2025a）校准并严格评估模型的一致性，然后进行参数预测以优化关键操作变量；以及（3）将模拟结果与潜在生物机制联系起来，特别是"异源真菌球"概念，从而为真菌增强型土壤MFC的合理设计和规模化应用提供一个定量且具有实际应用价值的工程工具，以实现可持续的除草剂修复和能量回收。

章节摘要

实验装置与数据来源

单室土壤MFC反应器是根据先前工作中描述的规格设计和构建的（Hao等，2025a）。反应器内部尺寸为6 cm × 6 cm × 9 cm（图1，表1）。阳极和空气阴极均由石墨毡制成，尺寸为6 cm × 6 cm × 0.5 cm，电极间距为3.5 cm。为便于氧气向阴极被动扩散，在底部均匀分布了9个通气孔（直径9 mm）。

模型校准与与实验数据的一致性评估

为评估所建立COMSOL模型的可靠性和准确性，通过将模拟结果与湿实验获得的实验数据（Hao等，2025a）进行比较，进行了两个阶段的校准过程。验证策略遵循先前建立的分层方法：首先，确认正确的性能排序和定性趋势；其次，量化最大电流密度和功率密度的相对误差。

工程意义与局限性

经验证的模型和机理洞察转化为真菌生物增强型土壤MFC堆叠设计和运行的若干实际工程建议。此外，认识到当前模型的局限性为未来研究提供了路线图。

结论

针对处理甲基二氯甲喹丙胺污染红壤的真菌生物增强型土壤MFC，成功开发并校准了二维等效多物理场模型。该模型基于二次电流分布和稀释物种传输，以较小的模拟误差再现了多组实验性能排序。核心创新在于将复杂的生物现象转化为简洁、参数化的工程方程。参数预测揭示了一个假定的

CRediT作者贡献声明

李登几：方法论，调查研究，形式化分析。郝大成：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，验证，监督，资源，项目管理，资助获取，概念化。王凡：方法论，数据管理。肖培根：监督，资源。

未引用参考文献

Capodaglio等，2017；Kamperidis等，2022；Merkey和Chopp，2012；Oliveira等，2013；Pinto等，2010；Zeng等，2010。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到 国家自然科学基金（41977048）和辽宁省科技计划项目，先进技术类—应用基础研究计划（20260890014-JH2/1013）的支持。

李登几|郝大成|王凡|肖培根