Electrode potential regulates phenol degradation pathways in oxygendiffused microbial electrochemical system

電極電位調節氧化擴散微生物電化學系統中苯酚的降解途徑

來源：Chemical Engineering Journal 381 (2020) 122663

 

摘要概括

本研究系統地探討了在微氧擴散的微生物電化學系統中，不同電極電位如何調控有毒污染物苯酚的生物降解途徑。研究發現，施加0 V（相對于Ag/AgCl）的電位在微氧條件下能將苯酚的完全降解時間縮短36%（至66小時），而缺氧條件下降解不完全（90小時僅降解48±8%）。在-0.4V到0.4V的電位范圍內，更正的電極電位有利于獲得更高的苯酚降解率，這源于四種代謝途徑的上調：通過CoA連接的苯甲酸降解、丙酮酸代謝、乙醛酸和二羧酸代謝以及糖酵解或糖異生。代謝物分析表明，電流刺激了乙酸（0V時）和甲酸（0V和-0.2V時）等中間產物的生成，并促進了生物膜中苯酚降解菌和電活性細菌（主要是Geobacter）的豐度。結論是，MES中苯酚的快速完全降解需要氧氣，且代謝途徑和主要代謝產物受電極電位調控。

 

研究目的

本研究旨在闡明在微氧條件下，電極電位這一關鍵參數如何調控微生物群落結構、代謝途徑，從而影響苯酚的降解效率。這對于理解和開發針對生物毒性污染物的高效微生物電化學處理技術至關重要。

研究思路

研究團隊采用了嚴謹的控制變量和多重驗證思路：

 

系統構建與對比：構建了微氧和嚴格厭氧的MES反應器，并設置了開路對照和無生物質的 abiotic 對照，以區分氧氣、電流和生物作用的各自貢獻。

電位梯度實驗：在同一個已成熟的生物膜電極上，依次施加一系列電極電位（-0.4V, -0.2V, 0V, 0.2V, 0.4V），以排除群落初始差異的干擾，純粹研究電位效應。

多維度數據分析：

 

電化學性能：通過計時電流法和循環伏安法監測電流輸出。

污染物去除：定時檢測苯酚濃度。

微生物群落：利用高通量測序分析生物膜和懸浮液中的菌群結構變化。

 

代謝途徑：通過GC-MS分析代謝中間產物，并利用KEGG數據庫解析受調控的代謝通路。

 

關鍵參數監測：使用丹麥Unisense微電極實時監測反應器內溶解氧濃度的動態變化，為代謝途徑分析提供關鍵的環境背景。

 

測量數據及其研究意義

 

電化學性能數據（電流密度）

 

數據來源：圖1 展示了微氧和厭氧條件下MES的計時電流曲線和循環伏安曲線。

 

研究意義：數據顯示微氧條件在初期會暫時降低電流密度，但經過適應期后，能達到與厭氧系統相當的最大電流密度。這表明電活性細菌（如Geobacter）能夠耐受并適應微氧環境，為在微氧條件下應用MES技術提供了可能性。

 

苯酚降解效率數據

 

數據來源：圖2 比較了微氧/厭氧、閉路/開路條件下苯酚濃度隨時間的變化。圖3 展示了不同電極電位下苯酚的去除效率。

 

研究意義：圖2 直接證明氧氣是驅動苯酚高效降解的主要因素，而電流（0V電位）在微氧基礎上進一步加速了降解過程。圖3 則清晰地表明，更正的電極電位（尤其是0V以上）能顯著提升苯酚降解速率，將電位與降解效能直接關聯。

 

 

微生物群落數據

 

數據來源：圖4 通過花瓣圖和相對豐度圖展示了不同樣品中共享OTU的情況以及Geobacter和苯酚降解菌的相對豐度。

 

研究意義：結果表明，在通電條件下（0V），生物膜中電活性細菌Geobacter和苯酚降解菌的豐度均顯著高于開路對照。這證明電極電位不僅提供了電子傳遞路徑，還塑造了更具降解活性的生物膜群落結構，實現了電活性菌與降解菌的協同增效。

 

代謝途徑分析數據

 

數據來源：圖5 和圖6 展示了在0V和-0.2V電位下，相較于開路對照，被顯著上調的代謝通路以及推測的代謝網絡。

 

 

研究意義：這是本研究最核心的發現。它從機理層面揭示了電極電位的作用：更正的電位（0V）通過上調苯甲酸降解等關鍵途徑，促進丙酮酸、乙酸等中間產物的生成，從而為電活性菌提供底物，形成良性循環。而較負的電位（-0.2V）則偏向于產生甲酸。這說明了可以通過調控電極電位來“引導”微生物的代謝流向，以期實現目標污染物的高效去除或特定產物的合成。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

微氧條件是實現苯酚在MES中快速完全降解的關鍵，且經過適應后不影響電流產生。

電極電位是調控降解效率的關鍵參數，更正的電位（0V至0.4V）能顯著提升苯酚降解速率。

電位調控的深層機制在于上調了包括苯甲酸降解、丙酮酸代謝在內的四條核心代謝途徑，改變了中間代謝產物的分布。

 

這種代謝調控最終促進了生物膜中電活性細菌和苯酚降解菌的協同生長，形成了高效的降解聯盟。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

使用丹麥Unisense微電極測量的溶解氧數據（圖S1，雖未在主圖中顯示，但在結果部分有詳細描述）具有至關重要的研究意義：

 

精準定義了“微氧”反應環境：Unisense微電極能夠實時、原位地監測反應器頭部空間和溶液中的氧濃度動態。數據顯示，在苯酚降解的關鍵前期（0-53小時），盡管氧氣持續擴散，但溶液中的溶解氧被微生物迅速消耗，維持在0 μmol/L。這一精確測量至關重要，它定義了本研究中的“微氧”實質上是液相中一個動態的、近乎厭氧的環境，而非持續有氧。

為混合代謝途徑的解釋提供了關鍵證據：在代謝物中同時檢測到有氧和厭氧降解的中間產物（如琥珀酸、丙酮酸等）。如果沒有溶解氧數據，這種現象會令人困惑。Unisense電極的數據表明，系統處于一種界面可能微氧、主體溶液厭氧的復雜狀態。這合理解釋了為何代謝分析會顯示出好氧和厭氧降解途徑共存的特征，說明微生物利用了獨特的混合代謝策略來降解苯酚。

 

將環境條件與代謝響應在時間點上關聯起來：研究人員特意選擇在溶解氧為0的30小時時間點進行代謝物分析。這個基于Unisense數據的選擇非常聰明，它確保了所分析的代謝變化主要是由電極電位引起的，而不是由 fluctuating 的氧氣濃度所主導。這使得“電極電位調控代謝途徑”的結論更加嚴謹和可信。

 

綜上所述，Unisense電極的測量并不僅僅是監測一個環境參數，它為整個研究的代謝機理闡釋提供了不可或缺的時空背景，將電化學刺激、微生物活動和環境條件變化緊密聯系在一起，使研究結論從表象深入到了機制層面。