Effect of photoperiod, light source, growing media, anode placement and setup design on performance of plant microbial fuel cells(PMFCs)with oxygen reducing microalgal bio-cathode  

光周期、光源、生長介質、陽極位置和裝置設計對含氧還原微藻生物陰極的植物微生物燃料電池（PMFCs）性能的影響  

來源：Biomass Conversion and Biorefinery, 2023

《生物質轉化與生物煉制》2023年  

 

摘要內容

 

研究系統評估了光周期（16/8 h、12/12 h、8/16 h）、光源（紅光、藍光、紅藍混合光、白光）、新型植物生長介質、陽極位置（A1:3 cm, A2:7 cm, A3:11 cm深度）及反應器構型（雙室、三室、窄底三室）對PMFC性能的影響。結果表明：  

12/12 h光暗周期為最優，功率密度達23.64±1.4 mW/m2（圖4）；  

 

 

白光顯著提升植物（綠蘿/紅掌）和微藻（Chlorella sorokiniana）生物量，功率密度26.42 mW/m2（紅光僅15.32 mW/m2）（表2, 圖5a）；  

 

 

 

新型生長介質（含海藻提取物、氨基酸、植物激素等）使植物根系生物量增加，功率提升31%至27.41 mW/m2（圖6）；  

 

 

陽極位置A2（7 cm深） 功率密度達27.21 mW/m2，較A1（3 cm）提升2.2倍（表3, 圖7）；  

 

 

 

窄底三室反應器（圖3c）降低陽極區26%氧濃度，功率密度31.40 mW/m2，較雙室構型提升39.6%（圖9, 表3）。  

 

 

 

研究目的

優化PMFC關鍵操作參數（光環境、營養供給、電極布局），最大化生物電輸出。  

 

闡明不同光源對植物光合作用及微藻陰極氧還原效率的影響機制。  

 

通過反應器結構設計強化陽極厭氧環境，減少根系氧泄露對微生物電化學活性的抑制。  

 

研究思路

參數獨立測試：  

 

光周期：三組PMFC分別運行16/8 h、12/12 h、8/16 h光暗循環（圖4）。  

 

光源：四組PMFC分別暴露于紅光、藍光、紅藍混合光、白光（圖1, 圖5a）。  

 

 

生長介質：對比組（無添加）vs 實驗組（噴灑復合營養液）（圖6）。  

結構優化：  

 

陽極位置：三組PMFC陽極分別置于3 cm（A1）、7 cm（A2）、11 cm（A3）深度（圖2, 圖7）。  

 

 

反應器構型：對比雙室、標準三室、窄底三室設計（圖3, 圖9）。  

性能評估：  

 

電化學指標：開路電壓（OCV）、功率密度、內阻（表3）。  

 

生物指標：植物生物量、微藻葉綠素濃度（表2）。  

 

環境指標：Unisense微電極測量陽極區溶解氧梯度（圖8）。  

 

 

測量數據及研究意義

功率密度（圖4, 圖9c, 表3）  

 

數據：窄底三室PMFC功率密度31.40 mW/m2，較雙室提升39.6%；白光下紅掌PMFC功率26.42 mW/m2，較紅光高72%。  

 

意義：量化構型與光源優化的增效幅度，為PMFC工程放大提供參數基準。  

溶解氧分布（圖8, 表3）  

 

數據：Unisense微電極測得窄底陽極室底部氧濃度11.25 μmol/L，較雙室（12.36 μmol/L）降26%；A1位置（3 cm深）氧濃度27.25 μmol/L，A2（7 cm）降至15.4 μmol/L。  

 

意義：揭示氧濃度梯度與電極位置的關聯，解釋A2位置高性能原因（厭氧環境更優）。  

生物量及葉綠素（表2, 圖6B）  

 

數據：白光下微藻葉綠素濃度29.36 μg/mL（紅光僅20.12 μg/mL）；添加生長介質的紅掌根系生物量顯著增加。  

 

意義：證實光源與營養干預通過增強光合作用及根系分泌物，間接提升底物供給與陰極氧還原效率。  

內阻變化（表3）  

 

數據：窄底三室內阻190 Ω，較雙室（270 Ω）降29.6%；陽極A2位置內阻220 Ω，較A1（280 Ω）降21.4%。  

 

意義：結構優化縮短質子傳遞路徑，降低歐姆損耗。  

 

結論

光環境優化：12/12 h光暗周期配合白光光源，最大化植物-微藻協同效應，功率密度提升54–72%（vs 單色光）。  

 

營養干預：含植物激素（油菜素內酯）和微量元素的生長介質促進根系發育，功率提升31%。  

 

結構創新：  

 

陽極置于7 cm深度（A2）平衡氧隔離與質子傳遞，功率密度較淺層（A1）提升2.2倍。  

 

窄底三室設計強化底部厭氧環境，功率密度達31.40 mW/m2，為當前PMFC性能標桿。  

氧管理核心：根系氧泄露是性能限制因素，需通過深度與構型設計主動調控厭氧微環境。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense OX-25氧微電極（步進精度未注明，典型分辨率≤10 μm）測量陽極區溶解氧剖面（圖8），其數據價值體現在：  

空間分辨氧梯度定量：  

 

精確捕捉植物根系界面（0 cm）至陽極底部（14 cm）的氧濃度突變點（如A1位置3 cm處27.25 μmol/L峰值），揭示根系氧泄露（Radial Oxygen Loss）的空間范圍，為電極避位設計提供依據（避免A1位置）。  

構型性能的機制驗證：  

 

直接證實窄底陽極室底部氧濃度（11.25 μmol/L）顯著低于雙室（12.36 μmol/L），量化26%的降幅源于物理限域效應，支撐“窄底設計強化厭氧”的創新結論。  

電極位置優化依據：  

 

測得A2位置（7 cm深）氧濃度15.4 μmol/L，低于A1（27.25 μmol/L）但高于A3（13.6 μmol/L），結合功率數據（A2 > A3 > A1），證明中度深度（A2）兼顧低氧環境與質子傳遞效率。  

技術不可替代性：  

 

傳統溶氧儀僅能測量本體溶液平均值，而Unisense微電極可定位毫米級氧熱點（如根系界面），解析局部氧抑制對電化學活性的影響。  

 

核心貢獻：Unisense數據將“結構設計-氧分布-電性能”的因果鏈條實證化，推動PMFC從經驗優化向機理驅動設計轉型。