2022-08-12
《Chemical Engineering Journal》
影響因子：16.744
最近，派森諾與四川大學空間應用生物學團隊合作，在《Chemical Engineering Journal》發表論文，通過微生物群落譜研究，解析了穩定產電狀態下iMFC不同電極微生物群落結構與類群特征，并闡明塑造iMFC優異性能與高穩定性的潛在微觀機制。
01、研究背景
微生物在能源危機、環境治理等領域的突出表現受到廣泛關注。相關人員在微生物燃料電池(MFC)的研制上投入了大量精力，使微生物穩定產電成為現實。在MFC系統中，有機污染物經由電化學活性微生物(EAMs)分解所產生的電子，通過不同途徑（電子介質、納米導線或細胞膜）轉移到陽極上，電子再經由外電路到達陰極，在那里它們與質子以及電子受體進行結合。
大量研究表明，MFC的污水處理效率優于厭氧工藝。因此，MFC提供了一種不同的思路，即在廢除處理過程中直接獲取能源，使廢水處理廠同時兼具能源生產單位的身份。然而，當前MFC復雜的體系結構限制了其大規模應用。MFC系統有兩種基本配置，即雙室與單室結構。雙室MFC由于質子交換膜(PEM)的存在具有較高內阻，因而輸出功率受到限制。此外，由于電極性質的差異，陰極室需要額外的陰極液。單室MFC則直接將陰極暴露在空氣中，具有更簡單的結構和更優異的傳質性能。盡管如此，這些MFC仍然需要建造反應器，此外只有有限的研究側重于實際應用場景，并且沒有一個MFC大于1 m3，由此引發了關于基于 MFC 的處理廠是否可以替代傳統廢水處理系統的爭論。無膜MFC可實現較大工作體積的構造，在處理廢水時具有高功率輸出，但存在輔助設備維護費用昂貴或能量轉換效率低的缺陷。要建造基于 MFC 的處理廠或將 MFC與現有污水處理廠結合起來，需要對新的基礎設施建設進行巨額投資，這使得目前的MFC的應用始終受限于實驗室環境。
一種有前景的解決方案是簡化配置，直接將MFC與處理系統集成。為此，我們設計了一個集成式無室微生物燃料電池（iMFC），并使用人工廢水對其性能進行相關測試。在本研究中，我們報告了iMFC產電能力、電化學特征、廢水處理能力（COD和總氮的去除）及電極富集微生物群落結構的初步研究結果。iMFC憑借其獨特構造和優異的產電與污水處理能力，iMFC有望以矩陣集能形式投入現有的廢水處理廠中使用，從而加速MFC領域的發展。
02、研究方法
本研究對MFC陽極與陰極表面微生物群落多樣性組成譜進行解析。
研究方法：土壤樣品細菌群落多樣性組成譜測序
測序區域：微生物組16S rRNA基因與16S rRNA V3-V4可變區測序
測序方法：Illumina NovaSeq PE250測序
分析方法：QIIME2基因云
03、研究結果
本研究首先發現，iMFC在運行過程中始終表現出高電壓，在更換新鮮培養基后，電壓會即刻顯著上升直至最大值。在1000 Ω的外阻下，工作電壓（WCV）在前5000分鐘內保持穩定，最大電壓為0.51 V，電流密度為365.86 mA m-2。隨著新鮮培養基的注入，WCV立即升高，隨后，WCV在大約360分鐘內從0.51 V逐漸下降到0.18 V，然后又迅速恢復到約0.46 V，在此之后電壓便長時間穩定在0.40-0.50 V，直到“燃料”耗盡。這種獨特的“V形”現象可能是由于iMFC的獨特配置和構型。一種可能的解釋是，陽極鎳泡沫內的胞外產電微生物（EAM）耗盡了從網狀結構中吸收的營養物質，EAM產生的電子中介體又被新鮮的培養基基質稀釋，最終導致電壓下降。經過短暫的適應后，EAM代謝產生了足夠的電子穿梭體，以保持較快的電子傳輸速率，從而使電壓反彈。耗時48天的長期恒流放電試驗的結果顯示。測試前，iMFC處于開路狀態，開路電壓OCV為0.75 V，采用不同的電流強度對iMFC放電（0.02、0.20和0.50 mA）。最初，放電電流強度設置為0.20 mA，即中等強度。iMFC的電壓急劇下降，但經過一段時間的適應（約5 d），電壓的下降趨勢有所放緩。為防止陽極細菌群落受到過度干擾，放電暫時終止，可以觀察到iMFC的電壓迅速增加并恢復到初始的OCV。隨后，進行低強度電流放電（0.02 mA），在此期間iMFC電壓始終保持穩定（在0.50至0.75 V之間）。最后再施加高強度放電（0.50 mA）。雖然電壓最初下降，但不久后便迅速增加，最終在0.28-0.33 V長時間保持穩定狀態。測試過程中，高強度放電后iMFC的放電容量呈線性增加（第48天容量為294.32 mAh）。
iMFC電性能和產電能力曲線
陽極CV曲線具有典型的不對稱形狀，在負電位（從-1.0 V到-0.50 V）處具有突出的還原峰。隨著掃描速率的增加，陽極還原峰的位置向右移動，峰值電流和積分面積逐漸增大。然而，陰極CV曲線相對平滑，具有對稱的正負電位，并且沒有明顯的氧化還原峰。可以看出，iMFC的陽極電化學分析比陰極更有意義。CV曲線可用于間接確定電極上發生的電子轉移機制。iMFC陽極中發生了兩種主要的電子轉移機制，即直接電子轉移過程（DET）和間接電子轉移過程（IET）。DET過程主要發生在陽極表面和生物膜上。生物膜的活細胞消耗底物（電子受體）并進行一系列酶促反應。然后，電子通過固有的電子轉移機制產生和輸出，并且部分電子被陽極通過導電結構（例如，納米導線）和細胞外酶（例如，細胞色素）收集和轉移。僅當導電活性位點足夠接近電極表面時，才會發生DET過程。一些微生物（如Geobacter）含有鞭毛，可以延伸數十微米，并用作長距離直接電子轉移納米導線。IET過程由電子介質或穿梭（如吩嗪，H2或HS-）完成，它們可以攜帶電子并在電極表面反應。
此外，陽極上的限速電流（約0.025 mA）達到-0.37 V，表明在陽極生物膜和電極之間建立了連續的穩態電流連接。同時，隨著電壓掃描速率的增加，限速電流也逐漸增加，表明在高掃描速率下電極與生物膜之間產生的穩態電流更大。贗電容不僅在電極表面產生，而且會在整個電極內產生，因此可以獲得比傳統的雙電層電容器更高的電容和能量密度。循環伏安贗電容測試是評估電極電化學動力學的有力方法。通過擬合不同掃描速度下的電流值，獲得k1值，然后可以估計電容效應與iMFC總容量的貢獻比。
發生電容效應的區域（橙色陰影部分）主要位于陽極CV曲線的還原峰兩側，并集中在負電位區域。贗電容效應對總電量的貢獻隨著掃描速率的增加而增加，從23.72%（10 mV s-1）增加到36.61%（20 mV s-1）和49.74%（50 mV s-1）。與此相反，雙電層電容對總電容的貢獻隨著掃描速率的增加而降低（從72.68%（10 mV s-1）到63.69%（20 mV s-1）和50.26%（50 mV s-1）。以贗電容為主的電荷存儲過程和以雙電層電容器為主的離子擴散過程構成了對總電容的貢獻。值得注意的是，隨著掃描速率的增加，陽極的CV曲線上存在顯著的贗電容效應，贗電容對iMFC中總電容的貢獻率顯著增加，在50 mV s-1的掃描速率下，該貢獻占貢獻的近一半， 這可能有利于iMFC的能量存儲。對于iMFC，EAM可以使用細胞膜上的還原酶和自產介質來臨時存儲電荷。此外，大量的電子積聚在生物膜表面上以形成電容。雙電層電容器為iMFC提供更好的充放電倍率，而偽電容為iMFC提供更好的儲能潛力。
iMFC 循環伏安曲線
其次，本研究還發現iMFC具有很強的水質凈化能力。在前48 h，COD去除率為81.20%，庫倫效率僅達到6.17%。結果表明iMFC的水質處理和發電過程可能是相互阻礙的。庫倫效率隨著時間的推移逐漸增加至23.07%，表明iMFC的性能有所提高。陰極微生物的代謝也有助于廢水中的有機物消除，主要通過好氧降解。前48小時內，iMFC將TN從68.33 mg L-1降低到41.33 mg L-1，導致39.51%的TN去除率。在實驗結束時（168小時），TN降至29.71 mg L-1，去除效率為56.59%。硝酸鹽既可充當電子受體在陰極被消耗，亦可為陽極反硝化細菌被還原成氮氣。
連續運行168小時iMFC水處理和庫侖效率的柱狀圖
iMFC使用泡沫鎳柱作為陽極，細菌纖維素膜作為陽極保護層包覆陽極，后外覆一層催化劑改性碳布作為陰極。泡沫鎳具有六邊形組成的多孔結構，石墨烯片均勻覆蓋表面。石墨烯片眾多碳納米纖維為EAM和胞外聚合物（EPS）提供了很大的表面積。EDS結果表明，該材料主要由碳和鎳以及微量的氧，硫，氯化物和鈉組成。碳布（厚度0.30毫米）與碳纖維（直徑10μm）交織在一起。碳布雙面均負載高效氧化還原反應催化劑，該催化劑由氟、硫、鐵和鉑組成，可有效地阻止陽極和陰極的收縮，但不會阻礙傳質（營養物質、電子和H+等）。
運行一段時間后，在陽極上形成松散多孔的多層厚生物膜，主要含有棒狀和球狀細菌。此外，陽極生物膜上的一些桿菌被拉伸得更長。一些細菌的表面被胞外物質均勻地包裹，這可能有助于發電。而陰極上長有生物膜，可以看到各種絲狀或網狀細胞外產物。像陽極一樣，陰極上的許多細菌與網狀細絲緊密纏繞。此外，還有許多晶體和顆粒，它們可能是iMFC上微生物長期侵蝕后留下的組分碎片。陰極生物膜的結構更加緊湊、粗糙，生物膜的形成會通過阻止質子轉移到催化劑來影響iMFC的長期性能。陰極中的孔隙可能被堵塞，從而減少氧擴散，從而對ORR反應產生負面影響。此外，鹽的沉淀（鈣、鐵、鎳和鎂等）會阻斷孔隙結構，減少電化學活性位點的暴露，并抑制ORR反應。
iMFC電極材料長期運行后的掃描電鏡表征
最后，本研究還對MFC電極進行16S rRNA基因和16S rRNA測序。α多樣性分析顯示陽極細菌群落Chao1、Simpson 和Shannon 指數均高于陰極，表明陽極細菌的群落豐度與多樣性較陰極更高。根據16S rRNA基因測序結果，陽極優勢菌屬為Comamonas（60.45%）和Delftia（13.09%），而16S rRNA測序數據表明陽極群落主要由Delftia（33.91%），Flavobacterium（20.80%）和Shinella（11.67%）等組成。Comamonas可代謝包括氨基酸、羧酸、類固醇和芳香族化合物在內的多種底物，大多數Comamonas是需要氧化的異養生物，但一些成員（例如，C. nitrativorans 和C. denitrificans）可以使用硝酸鹽或鐵離子作為電子受體。Delftia廣泛存在于河流水、活性污泥、土壤和其他環境中，具備將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的能力，在本研究中Delftia可能在總氮去除方面發揮重要作用作用。與陽極不同，陰極群落主要由Delftia（70.97%和34.18%），Flavobacterium（7.16%和25.65%）和Comamonas（4.88%和9.04%）組成。
與產電有關的細菌Pseudomonas在兩個電極上均有檢測到，陽極中Pseudomonas的豐度分別為0.80%和3.49%，高于陰極（0.42%和0.31%）。Pseudomonas是常見的電化學活性菌，被歸類為弱外生電原菌群，是iMFC中低電流密度產電菌。Pseudomonas的部分成員，例如Rhodopseudomonas palustris，在長期適應后可以使MFC產生更高的功率輸出。研究表明，由IV型纖維蛋白單體組裝的e-pili可以直接參與電子能量轉移（EET）過程，并且可以通過Pseudomonas aeruginosa的fimbrin基因的異源表達形成。此外，僅在陽極中發現了Clostridium_sensu_stricto_13（16S rRNA基因和16S rRNA測序豐度分別為0.20%和0.32%），該菌屬已被證明具有EET能力，然而當前對其產電機制了解相對較少。同時，很大一部分細菌群體僅通過16S rRNA基因測序檢測到，但未通過16S rRNA測序檢測到。
基于MFC電極的16S rRNA基因和16S rRNA微生物群落多樣性分析組圖
04、總 結
制備了一種“即插即用”的新型集成無室微生物燃料電池（iMFC），并將其應用于廢水能量回收；
iMFC具備較強耐受和適應環境變化的能力，可在非厭氧條件下長期運行；
低內阻和高贗電容效應有助于iMFC的性能，在對iMFC內部的離子擴散進行優化后可進一步提高容量；
陽極微生物群落多樣性高于陰極，且陽極和陰極中的微生物群落結構存在較大差異；
數以百計的iMFC偶聯電池充放電系統是極具應用前景的綠色技術，可為用電設備進行集中供電。
以上研究的測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。如需進一步討論，歡迎討論區留言或者發郵件給我們喲（郵箱地址：[email protected]）！
文章索引：
Chen P, Zhang T T, Chen Y H, et al. Integrated chamber-free microbial fuel cell for wastewater purification and bioenergy generation[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 442: 136091.
