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

微生物燃料電池促進富藻沉積物微宇宙系統中黑藻的恢復  

來源：Chemosphere 266 (2021) 128987

《化學圈》第266卷（2021年）文章編號128987

 

 

摘要內容：  

摘要指出沉積的藻類可為沉水植物提供養分，但其深層厭氧分解會抑制植物生長。沉積物微生物燃料電池（SMFC）可能促進藻源養分的利用并減輕其對黑藻（Hydrilla verticillata）的生物毒性。通過62天的微宇宙實驗（設置開路SMFC對照、植物、藻類、藻類+植物、藻類+SMFC、藻類+植物+SMFC六組），研究發現：1）黑藻的存在提升了SMFC產電性能（圖1a）；2）產電過程通過改變藻類降解途徑（從乙酸裂解產甲烷轉向電化學還原）延緩藻分解（表1 CH?數據）；3）在藻類緩慢分解期（14-38天），SMFC促進藻源無機碳和銨鹽向植物地上部分傳輸，提升黑藻生物量52.3%（圖2）；4）在快速分解期（38-62天），SMFC減輕藻源銨鹽（NH??）對根系的毒性脅迫（圖6d-f），使沉積藻類成為穩定的植物營養源。  

 

 

 

 

 

 

研究目的：  

1. 探究產電作用（electrogenesis）對沉積藻類分解過程的影響  

2. 評估SMFC能否通過調控藻源養分利用和毒性緩解促進沉水植物黑藻的恢復  

 

研究思路：  

1. 構建六組沉積物微宇宙系統：開路SMFC（對照）、植物（開路SMFC+黑藻）、藻類（開路SMFC+藻）、藻類+植物（開路SMFC+藻+黑藻）、藻類+SMFC（閉路SMFC+藻）、藻類+植物+SMFC（閉路SMFC+藻+黑藻）  

2. 注入1?N標記藻類追蹤氮遷移（圖5）  

 

3. 監測62天內電壓/電流（圖1）、孔隙水化學（表1）、植物生理（圖6）及微生物群落（圖3-4）  

 

 

4. 分析藻分解兩階段（緩慢期14-38天 vs 快速期38-62天）中SMFC與植物的互作機制  

 

測量數據、來源及研究意義：  

1. 電化學數據（圖1）  

   ? 測量內容：閉路電壓、陽極/陰極電位  

 

   ? 來源：圖1a（電壓）、圖1b（電極電位）  

 

   ? 意義：量化SMFC產電性能，揭示黑藻通過維持高陰極電位提升產電（平均電壓181.4 mV vs 137.7 mV），且與藻分解階段相關  

 

2. 沉積物孔隙水指標（表1）  

   ? 測量內容：Fe(II)、SO?2?、CH?、乙酸、草酸濃度  

 

   ? 來源：表1（多時間點數據）  

 

   ? 意義：證明SMFC將藻降解途徑從產甲烷轉向硫/鐵循環（CH?降低56.3%，Fe(II)/SO?2?升高），減少毒性產物積累  

 

3. 1?N遷移軌跡（圖5）  

   ? 測量內容：藻源氮在固相（沉積物）、液相（NH??/NO??/DON）、植物組織的分配  

 

   ? 來源：圖5a-f  

 

   ? 意義：揭示SMFC促進藻源氮向植物遷移（根區1?N吸收率提升），并通過厭氧氨氧化菌（如Candidatus Brocadia）強化脫氮  

 

4. 植物生理響應（圖6）  

   ? 測量內容：MDA（膜損傷標志）、SOD/POD（抗氧化酶）、游離氨基酸（FAA）、可溶性糖（SC）  

 

   ? 來源：圖6a-g  

 

   ? 意義：表明SMFC緩解快速分解期NH??脅迫（根區FAA降低，SC升高），維持碳氮代謝平衡  

 

5. 微生物群落（圖3-4）  

   ? 測量內容：陽極/陰極菌群結構（屬水平）  

 

   ? 來源：圖3（陰極菌群）、圖4（陽極菌群）  

 

   ? 意義：發現SMFC富集電活性菌（Rhodobacter）、脫氮菌（Denitratisoma）及根際促生菌（PGPRs如Bradyrhizobium），協同優化養分循環  

 

結論：  

1. 藻類緩慢分解期：SMFC提升藻源溶解性無機碳（DIC）和NH??向黑藻地上部分傳輸，促進光合碳同化，生物量增加52.3%  

2. 藻類快速分解期：SMFC通過硫/鐵循環（富集Thiobacillus等）將代謝途徑從產甲烷轉向產電，延遲藻分解并減少NH??積累，減輕根系毒性  

3. 微生物互作：SMFC增強根際固氮能力（PGPRs富集），促使沉積藻類從"毒素源"轉化為"穩定營養源"，植物生物量較對照組提升90.1%  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

1. OXY25穿刺氧電極  

   ? 技術特點：25μm尖端直徑，4cm垂直剖面分辨率  

 

   ? 研究意義：精準量化沉積物-水界面氧梯度，揭示黑藻根系泌氧（ROL）特征。數據顯示黑藻ROL較弱（相比狐尾藻），避免陽極電位損失，解釋其促進SMFC產電的機制（圖1b陰極電位差異）。  

 

2. 孔隙水Fe(II)動態監測（Table 1）  

   ? 技術特點：鄰菲羅啉分光光度法，高時空分辨率孔隙水采樣  

 

   ? 研究意義：證實SMFC通過鐵循環介導電子傳遞——藻類降解產物驅動Fe(II)生成（藻+SMFC組Fe(II)達93.5 mg/L），Fe(II)作為電子穿梭體將電子傳遞至陽極，促進電流產生（與圖1a電壓上升階段同步）。  

 

3. 界面氧通量關聯分析  

   ? 技術應用：結合氧剖面與沉積物耗氧量（SOC）模型  

 

   ? 研究意義：闡明SMFC未顯著改變總有機質礦化率，但通過界面氧通量提升（陰極區氧還原）緩解沉積物厭氧程度，減輕黑藻根系脅迫（支持圖6中SOD/POD活性變化）。