Effect of starch-derived organic acids on the removal of polycyclic aromatic hydrocarbons in an aquaculture-sediment microbial fuel cell  

淀粉衍生有機酸對水產(chǎn)沉積物微生物燃料電池中多環(huán)芳烴去除的影響  

來源：Journal of Environmental Management, Volume 311, 2022, 114783  

《環(huán)境管理雜志》第311卷，2022年，文章編號114783  

 

摘要內(nèi)容

本研究構(gòu)建沉積物微生物燃料電池（SMFC）用于處理受多環(huán)芳烴（PAHs）污染的水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物。以沉積物中天然存在的淀粉為共基質(zhì)，評估淀粉衍生有機酸對SMFC電化學性能和PAHs去除的影響。結(jié)果表明：適量淀粉（5–10 mg/g）通過促進電化學活性菌（如Macellibacteroides）富集，顯著提升PAHs去除率（萘69.9%、苊55.6%、芘46.8%）和輸出電壓（峰值478 mV）；過量淀粉（≥20 mg/g）導致有機酸積累，降低陽極pH（<5.5），減少物種多樣性，抑制SMFC性能。電性能與PAHs去除率顯著正相關(guān)（R>0.96）。但放大至單室SMFC裝置后，因陽極“有效范圍”受限，PAHs去除率未達預期。  

 

研究目的  

探究淀粉作為共基質(zhì)對SMFC系統(tǒng)的影響機制，量化淀粉衍生有機酸對PAHs去除效率和電化學性能的作用，評估SMFC技術(shù)在水產(chǎn)沉積物修復中的應用潛力。  

 

研究思路  

雙室SMFC小試：設置梯度淀粉濃度組（0、5、10、20、40 mg/g），對比PAHs去除率（萘、苊、芘）、電壓輸出、有機酸積累及微生物群落變化。  

 

機制解析：通過pH監(jiān)測、有機酸分析及微生物測序，闡明淀粉衍生有機酸對陽極微環(huán)境的影響路徑。  

 

放大驗證：基于小試最優(yōu)條件（10 mg/g淀粉），構(gòu)建15L單室SMFC裝置，評估實際應用可行性。  

 

測量數(shù)據(jù)、來源及意義  

 

3.1 PAHs去除率（圖1、圖9）  

來源：圖1（雙室SMFC中三種PAHs動態(tài)去除曲線）、圖9a（單室裝置PAHs去除率）  

 

 

意義：直接量化SMFC修復效果。數(shù)據(jù)表明：淀粉濃度通過改變微生物活性和陽極環(huán)境調(diào)控PAHs降解速率，其中低分子量PAHs（萘）更易去除。  

 

3.2 電化學性能（圖2–4）  

來源：圖2（輸出電壓動態(tài)曲線）、圖3（極化曲線與功率密度）、圖4（循環(huán)伏安曲線）  

 

 

 

 

意義：揭示系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率。適量淀粉提升峰值電壓至478 mV（圖2），降低內(nèi)阻至719–733 Ω（圖3），增強電子轉(zhuǎn)移能力（圖4氧化峰電流64.2 mA）；過量淀粉削弱電活性菌功能，導致性能衰減。  

 

3.3 陽極微環(huán)境參數(shù)（圖5–6）  

來源：圖5（pH動態(tài)變化）、圖6（乙酸/丙酸/丁酸積累量）  

 

 

意義：闡明淀粉代謝路徑的影響。有機酸積累（圖6）與pH下降（圖5）顯著相關(guān)（P<0.01），證實過量淀粉通過酸化環(huán)境（pH<5.5）抑制電活性菌（如Proteobacteria）。  

 

3.4 微生物群落（圖7–8）  

來源：圖7（門/屬水平群落組成）、圖8（冗余分析）  

 

 

意義：解析生物機制。Bacteroidetes門（尤其Macellibacteroides屬）與PAHs去除和電輸出正相關(guān)（R>0.96），其豐度在適量淀粉組達26.9%（圖7b）；過量淀粉使Firmicutes成為絕對優(yōu)勢菌（92.4%），破壞功能菌群平衡（圖8）。  

 

結(jié)論  

 

4.1 適量淀粉（5–10 mg/g）通過提供碳源和維持中性pH，促進電活性菌（如Macellibacteroides）生長，同步提升PAHs降解（萘>苊>芘）和電性能（內(nèi)阻降低23%）。  

4.2 過量淀粉（≥20 mg/g）誘導有機酸積累（VFAs>20 mg/g），導致陽極酸化（pH<5.5），抑制Proteobacteria等電活性菌，降低物種多樣性（Shannon指數(shù)由6.29降至4.80）。  

4.3 單室放大裝置因陽極“有效范圍”受限及物質(zhì)擴散障礙，PAHs去除率僅為小試的50%（圖9），需優(yōu)化電極布局以提升實用性。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細研究意義  

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（pH-NP探頭，分辨率0.3 μM）測量的pH數(shù)據(jù)（圖5）是揭示有機酸抑制機制的關(guān)鍵：  

微尺度精度：50 μm尖端直徑可穿透沉積物微區(qū)，實時監(jiān)測淀粉發(fā)酵導致的局部酸化（如M-40組pH降至4.68），避免整體取樣誤差。  

 

過程關(guān)聯(lián)：動態(tài)pH曲線與有機酸積累（圖6）及電壓輸出（圖2）同步分析，證實酸化是性能衰減的直接誘因——當pH<5.5時，電活性菌豐度下降>80%（圖7a），內(nèi)阻增加40%（圖3）。  

 

生態(tài)閾值：明確pH=5.5為系統(tǒng)性能拐點，為SMFC運行參數(shù)優(yōu)化提供臨界值依據(jù)。  

 

應用指導：酸化預警可指導淀粉投加策略，避免過度發(fā)酵導致的微環(huán)境失衡。