Anodic potentials, electricity generation and bacterial community as affected by plant roots in sediment microbial fuel cell: Effects of anode locations

沉積物微生物燃料電池中植物根系對陽極電位、發電量和細菌群落的影響陽極位置的影響

來源：Chemosphere 209 (2018) 739-747

 

一、摘要核心內容

摘要指出，植物沉積物微生物燃料電池（PSMFC）是一種兼具能源回收和污染修復潛力的技術。本研究通過設置不同陽極位置（淺、中、深），探究植物根系（菖蒲）對沉積物氧分布、發電性能及陽極細菌群落的影響。研究發現，根系釋放的氧氣會提高陽極周圍的氧化還原電位，導致好氧細菌與電化學活性細菌（EAB）競爭底物，從而抑制發電。最優策略是將陽極置于根系下方適當距離，以利用根系分泌物同時避免氧氣負面影響。

二、研究目的

 

明確植物根系釋放的氧氣對PSMFC性能的影響機制；

優化陽極相對于根系的位置，以平衡氧氣抑制效應和根系分泌物的促進作用；

 

分析不同陽極深度下微生物群落結構的差異，揭示根系與EAB的相互作用。

 

三、研究思路

 

實驗設計：構建三種陽極深度的PSMFC（淺層S-PSMFC、中層M-PSMFC、深層D-PSMFC）及無植物對照（SMFC），均設置閉路和開路控制組。

關鍵變量控制：陽極位置（距水-沉積物界面2.0 cm、5.0 cm、7.5 cm）、植物根系分布、光照周期（8小時光照/16小時黑暗）。

 

數據采集：監測電壓、氧氣濃度剖面、陽極電位、微生物群落結構，并通過極化曲線計算內阻和功率密度。

 

四、測量數據及研究意義

1. 電壓與發電性能（數據來源：圖2B、圖4）

 

 

深層陽極（D-PSMFC）：電壓穩定且高于無植物系統（D-SMFC），說明深層陽極可利用根系分泌物且避免氧氣抑制。

中層陽極（M-PSMFC）：初期電壓高，但隨根系生長侵入陽極后電壓下降，因氧氣直接接觸陽極競爭底物。

 

意義：證明陽極位置對發電效率的關鍵影響，深層布局可優化能源輸出。

 

2. 氧氣剖面數據（數據來源：圖3）

 

使用丹麥Unisense微電極測量沉積物中氧氣濃度分布：

 

D-PSMFC：陽極區域氧氣濃度極低（0.23–0.77 μmol/L），但根系下方（-5.0至-7.0 cm）存在氧氣釋放層（最高10.8 μmol/L）。

M-PSMFC：陽極表面氧氣濃度高達26.5 μmol/L，形成好氧/厭氧共存微環境。

研究意義：

 

揭示了根系氧氣釋放的空間分布規律，闡明其對陽極電位的抬升作用；

解釋了晝夜發電節律（黑暗期電壓更高）源于夜間根系氧釋放減少，降低陽極電位；

 

表明氧氣層可能促進高分子有機物分解為EAB可利用的小分子，但需與陽極保持距離。

 

3. 微生物群落結構（數據來源：圖5、圖6及附表）

 

 

D-PSMFC：富集Betaproteobacteria（好氧/兼性菌），EAB相對豐度較高。

M-PSMFC：Deltaproteobacteria（含EAB如Geobacter）和好氧菌（如Pseudomonas）共存，證實氧氣導致菌群競爭。

 

意義：根系氧氣直接塑造陽極生物膜組成，好氧菌競爭底物是抑制發電的重要原因。

 

4. 腐爛根系的影響（數據來源：表1）

 

部分反應器（D-PSMFC3、M-PSMFC3）因根系腐爛導致電壓驟升（最高200 mV），COD和UV254值翻倍。

 

意義：腐爛根系釋放大量小分子有機物，可臨時提升發電量，但需避免過度腐爛導致系統不穩定。

 

五、研究結論

 

陽極位置決定PSMFC性能：根系直接接觸陽極（如M-PSMFC）會因氧氣抑制而降低發電效率；深層陽極（D-PSMFC）能最大化利用根系分泌物且規避氧氣負面影響。

氧氣釋放主導晝夜節律：黑暗期氧氣減少導致陽極電位降低，發電量升高，顛覆了傳統認為光照期分泌物增多促發電的觀點。

微生物群落協同與競爭：根系氧氣導致好氧菌與EAB共存，合理布局陽極可優化EAB優勢。

 

技術優化建議：陽極應置于根系下方一定距離，以平衡有機物利用和氧氣抑制效應。

 

六、Unisense電極數據的詳細解讀

丹麥Unisense微電極測量的氧氣剖面數據是本研究的關鍵創新點，其研究意義包括：

 

定量化氧氣分布：首次在PSMFC中精確刻畫根系氧氣釋放的三維范圍（約2 cm厚度），發現氧氣濃度峰值位置與根系尖端分布一致（如M-PSMFC陽極表面達26.5 μmol/L）。

揭示機制矛盾：傳統研究強調根系分泌物促進發電，但本數據表明氧氣釋放才是主導因素——高氧環境抬高陽極電位，阻礙EAB電子傳遞。

解釋晝夜節律：晝夜氧氣濃度波動（光照期氧釋放增多）直接導致陽極電位變化，說明PSMFC的發電節律由氧氣動態而非分泌物總量控制。

 

指導陽極設計：數據表明陽極需避開氧氣釋放層（如D-PSMFC布局），為未來PSMFC的電極定位提供理論依據。

 

綜上，本研究通過多維度數據證明了陽極位置與根系氧分布的相互作用對PSMFC性能的決定性影響，為優化系統設計提供了重要理論與實踐指導。