Microbial fuel cell improves restoration of Hydrilla verticillata in an algae-rich sediment microcosm system  

微生物燃料電池促進藻類富集沉積物微宇宙系統中黑藻的恢復  

來源：Chemosphere, Volume 266, 2021, Article Number 128987  

《化學圈》，第266卷，2021年，文章編號128987  

 

摘要內容  

本研究通過62天的微宇宙實驗，探究沉積物微生物燃料電池（SMFC）對藻類富集沉積物中沉水植物黑藻（Hydrilla verticillata）恢復的影響。結果表明：SMFC通過促進藻源養分利用并減輕藻類分解產生的生物毒性（如銨離子NH??），顯著提升黑藻生長。SMFC的產電過程延緩了藻類厭氧分解，將代謝途徑從產甲烷作用轉向產電過程，同時增強氮素去除，從而緩解NH??對植物根系的脅迫。  

 

研究目的  

驗證SMFC技術能否通過調控沉積藻類分解過程，促進藻源養分的植物利用并減輕其分解產生的毒性效應，最終提升沉水植物在藻類富集沉積物中的恢復效率。  

 

研究思路  

1. 實驗設計：設置6種處理（對照、植物、藻類、藻類+植物、藻類+SMFC、藻類+植物+SMFC），通過15N同位素標記追蹤藻源氮遷移（圖5）。  

 

2. 階段劃分：基于藻類分解特征分為輕度分解期（14–38天）和強烈分解期（38–62天）。  

3. 多維度監測：  

   ? 電化學性能（電壓、電極電位，圖1a-b）  

 

   ? 沉積物-水環境參數（DO、pH、營養鹽、低分子有機酸等，表1）  

 

   ? 植物生理響應（生物量、酶活性、代謝物，圖2、圖6）  

 

 

 

 

   ? 微生物群落結構（陰極/陽極菌群，圖3、圖4）  

 

 

4. 機制解析：結合電化學數據、15N遷移規律及微生物組成，揭示SMFC調控藻類分解與植物生長的互作機制。  

 

測量數據及研究意義  

1. 電化學性能（圖1a-b）  

   ? 數據：藻類+植物+SMFC組平均電壓（181.4 mV）顯著高于藻類+SMFC組（137.7 mV）。  

 

   ? 意義：證明黑藻通過根系分泌物或界面氧化還原調控提升SMFC產電效率。  

 

2. 沉積物-水環境參數（表1）  

   ? 數據：  

 

     ? 強烈分解期藻類處理中孔隙水Fe(II)（77.5 mg/L）和CH?（614.3 μmol/L）顯著積累。  

 

     ? SMFC使NH??濃度降低50%以上（圖5a）。  

 

   ? 意義：SMFC緩解沉積物強還原環境，抑制毒性物質（NH??、CH?）生成。  

 

3. 植物生理指標（圖2、圖6）  

   ? 數據：  

 

     ? 強烈分解期藻類+植物組的黑藻根系MDA（脂質過氧化標志物）含量升高至173.9 μg/g。  

 

     ? SMFC使藻類+植物+SMFC組的根系MDA降低至139.8 μg/g。  

 

   ? 意義：SMFC減輕NH??脅迫，維持碳氮代謝平衡（根系可溶性糖與游離氨基酸含量穩定）。  

 

4. 15N遷移規律（圖5）  

   ? 數據：SMFC使藻源15N的沉積物殘留率提升10.2%（33.8% vs 23.6%），去除率提升10.3%（36.3% vs 26.0%）。  

 

   ? 意義：SMFC促進藻源氮的固持與脫除，減少植物暴露于毒性氮的風險。  

 

5. 微生物群落（圖3、圖4）  

   ? 數據：藻類+植物+SMFC組陽極富集脫氮菌（Thiobacillus、Sulfuricurvum）和固氮PGPR（Bradyrhizobium、Paenibacillus）。  

 

   ? 意義：SMFC塑造功能菌群，協同提升氮循環效率與植物抗逆性。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細意義  

Unisense微電極（型號OXY25）用于高精度測量沉積物-水界面氧分布：  

1. 數據：強烈分解期（50天），藻類+植物處理的界面氧濃度最低（約0.5 mg/L），而藻類+植物+SMFC組維持在1.2 mg/L以上。  

2. 意義：  

   ? 直接驗證強還原環境：證實藻類厭氧分解導致界面缺氧，抑制植物根系呼吸。  

 

   ? 量化SMFC改善效果：SMFC通過陽極氧化反應提升界面氧水平，緩解植物氧脅迫。  

 

   ? 關聯植物生理：界面氧濃度與根系MDA含量呈顯著負相關（r = -0.82, p<0.05），為SMFC緩解氧化損傷提供原位證據。  

 

結論  

1. 藻類分解的雙階段效應：  

   ? 輕度分解期（14–38天）：藻類作為營養源促進黑藻莖葉生長（生物量提升21.4%）。  

 

   ? 強烈分解期（38–62天）：NH??積累抑制根系發育（生物量降低32.8%）。  

 

2. SMFC的核心作用：  

   ? 延緩藻類分解：將代謝途徑從產甲烷轉向產電（CH?降低73.7%，表1），減少毒性產物。  

 

   ? 促進氮循環：增強脫氮（15N去除率提升10.3%）與固氮（PGPR富集），緩解NH??脅迫。  

 

   ? 改善根系環境：維持沉積物-水界面氧水平（>1.2 mg/L），保障根系活力。  

 

3. 應用價值：SMFC技術為藻類富集水體的沉水植物恢復提供生態工程新策略。