Sulfur oxidation process: A neglected contributor to minimize P release during sediment microbial fuel cell operation  

硫氧化過程：沉積物微生物燃料電池運行中被忽視的磷釋放抑制機制  

來源：Chemical Engineering Journal 449 (2022) 137845

《化學工程雜志》第449卷 2022年 文章編號137845

 

摘要內容

 

摘要指出：通過300天的沉積物微生物燃料電池（SMFC）實驗，發現硫氧化過程是抑制沉積物中磷（P）釋放的關鍵機制。SMFC組上覆水中的可溶性活性磷（SRP）濃度顯著低于對照組，證實SMFC能有效抑制內源磷釋放。實驗觀察到陽極附近沉積物中FeS減少、孔隙水中SO?2?積累（第160天起），表明發生FeS氧化過程。同時，溶解的Fe2?向上擴散并被氧化為Fe(III)氧化物，吸附磷形成更高的BD-P（612.50±32.25 μg/g）。微生物群落分析顯示硫氧化菌Tumebacillus（7.31%）和Desulfobulbaceae（3.06%）富集，證實SMFC驅動了生物硫氧化過程。  

 

研究目的

 

闡明SMFC中硫氧化過程對沉積物磷釋放的抑制機制，驗證硫氧化菌在鐵-硫-磷循環中的作用。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

采集太湖梅梁灣沉積物，建立SMFC微宇宙系統（圖1）。  

 

設置SMFC組（含電極）與對照組（無電極），持續運行300天。  

 

通過Rhizon采樣器原位監測孔隙水化學指標（P、Fe、S）。  

分析方法：  

 

使用丹麥Unisense微電極（OX-100, pH-500）測量沉積物-水界面（SWI）的pH和溶解氧（DO）梯度（圖2）。  

 

分析沉積物磷形態（BD-P、NaOH-P等）和硫形態（FeS、SO?2?）。  

 

高通量測序（16S rRNA）解析微生物群落結構（圖7）。  

 

測量數據及研究意義

上覆水與孔隙水磷濃度：  

 

數據來源：圖3a（上覆水SRP）、圖3b-c（孔隙水SRP）。  

 

意義：SMFC組上覆水SRP峰值比對照組低58%（第270天），孔隙水SRP最大降幅達40%（第120天），證明SMFC抑制磷釋放。  

沉積物磷形態（BD-P）：  

 

數據來源：圖3d（BD-P分布）。  

 

意義：SMFC組表層沉積物（0-1 cm）BD-P濃度（612.50 μg/g）比對照組高28%，表明鐵氧化物再形成吸附磷。  

硫與鐵動態：  

 

數據來源：圖4（SO?2?濃度）、圖5（Fe2?與SO?2?剖面）、圖6（FeS分布）。  

 

 

 

 

意義：SMFC組孔隙水SO?2?峰值達116 mg/L（第240天），FeS在陽極附近減少，證實硫氧化促進FeS溶解和Fe2?釋放。  

微生物群落：  

 

數據來源：圖7（微生物組成）。  

 

意義：陽極生物膜中硫氧化菌Tumebacillus（7.31%）和Desulfobulbaceae（3.06%）富集，驅動生物硫氧化過程。  

 

結論

硫氧化核心作用：SMFC通過富集硫氧化菌（如Tumebacillus）氧化FeS，釋放Fe2?并向上擴散至表層沉積物，氧化為Fe(III)后吸附磷形成BD-P。  

 

磷釋放抑制：SMFC使上覆水SRP峰值降低58%，表層沉積物BD-P增加28%，有效抑制磷釋放。  

 

機制創新：發現硫氧化過程是除傳統電化學遷移外，SMFC控磷的新途徑（圖8）。  

 

Unisense電極數據的詳細解讀

 

丹麥Unisense微電極（OX-100, pH-500）測量的pH與DO梯度具有以下核心研究意義：  

定位氧化還原梯度：  

 

DO測量（圖2c）顯示SMFC組上覆水DO（153.27 μmol/L）低于對照組（190.52 μmol/L），證實陰極氧消耗；距SWI 3.5 mm處DO降至0，界定缺氧區邊界。  

 

pH剖面（圖2b）顯示SMFC組沉積物pH低至4.32（深4 cm），而表層pH達7.82，揭示陽極質子積累與陰極堿化，驅動Fe2?擴散。  

關聯硫氧化過程：  

 

低pH區（陽極附近）促進FeS溶解（FeS + 2H? → Fe2? + H?S），釋放的Fe2?向上擴散至高pH區（表層）氧化為Fe(III)，形成BD-P固磷。  

 

DO梯度證實表層為有氧區，支持化學氧化（Fe2? → Fe(III)）與硫氧化菌活性。  

驗證機制假設：  

 

微電極數據直接支持"硫氧化→Fe2?釋放→擴散→再氧化固磷"的假設（圖8），為微生物群落分析提供物化背景。