2022-08-12
《Chemical Engineering Journal》
影响因子：16.744
最近，派森诺与四川大学空间应用生物学团队合作，在《Chemical Engineering Journal》发表论文，通过微生物群落谱研究，解析了稳定产电状态下iMFC不同电极微生物群落结构与类群特征，并阐明塑造iMFC优异性能与高稳定性的潜在微观机制。
01、研究背景
微生物在能源危机、环境治理等领域的突出表现受到广泛关注。相关人员在微生物燃料电池(MFC)的研制上投入了大量精力，使微生物稳定产电成为现实。在MFC系统中，有机污染物经由电化学活性微生物(EAMs)分解所产生的电子，通过不同途径（电子介质、纳米导线或细胞膜）转移到阳极上，电子再经由外电路到达阴极，在那里它们与质子以及电子受体进行结合。
大量研究表明，MFC的污水处理效率优于厌氧工艺。因此，MFC提供了一种不同的思路，即在废除处理过程中直接获取能源，使废水处理厂同时兼具能源生产单位的身份。然而，当前MFC复杂的体系结构限制了其大规模应用。MFC系统有两种基本配置，即双室与单室结构。双室MFC由于质子交换膜(PEM)的存在具有较高内阻，因而输出功率受到限制。此外，由于电极性质的差异，阴极室需要额外的阴极液。单室MFC则直接将阴极暴露在空气中，具有更简单的结构和更优异的传质性能。尽管如此，这些MFC仍然需要建造反应器，此外只有有限的研究侧重于实际应用场景，并且没有一个MFC大于1 m3，由此引发了关于基于 MFC 的处理厂是否可以替代传统废水处理系统的争论。无膜MFC可实现较大工作体积的构造，在处理废水时具有高功率输出，但存在辅助设备维护费用昂贵或能量转换效率低的缺陷。要建造基于 MFC 的处理厂或将 MFC与现有污水处理厂结合起来，需要对新的基础设施建设进行巨额投资，这使得目前的MFC的应用始终受限于实验室环境。
一种有前景的解决方案是简化配置，直接将MFC与处理系统集成。为此，我们设计了一个集成式无室微生物燃料电池（iMFC），并使用人工废水对其性能进行相关测试。在本研究中，我们报告了iMFC产电能力、电化学特征、废水处理能力（COD和总氮的去除）及电极富集微生物群落结构的初步研究结果。iMFC凭借其独特构造和优异的产电与污水处理能力，iMFC有望以矩阵集能形式投入现有的废水处理厂中使用，从而加速MFC领域的发展。
02、研究方法
本研究对MFC阳极与阴极表面微生物群落多样性组成谱进行解析。
研究方法：土壤样品细菌群落多样性组成谱测序
测序区域：微生物组16S rRNA基因与16S rRNA V3-V4可变区测序
测序方法：Illumina NovaSeq PE250测序
分析方法：QIIME2基因云
03、研究结果
本研究首先发现，iMFC在运行过程中始终表现出高电压，在更换新鲜培养基后，电压会即刻显著上升直至最大值。在1000 Ω的外阻下，工作电压（WCV）在前5000分钟内保持稳定，最大电压为0.51 V，电流密度为365.86 mA m-2。随着新鲜培养基的注入，WCV立即升高，随后，WCV在大约360分钟内从0.51 V逐渐下降到0.18 V，然后又迅速恢复到约0.46 V，在此之后电压便长时间稳定在0.40-0.50 V，直到“燃料”耗尽。这种独特的“V形”现象可能是由于iMFC的独特配置和构型。一种可能的解释是，阳极镍泡沫内的胞外产电微生物（EAM）耗尽了从网状结构中吸收的营养物质，EAM产生的电子中介体又被新鲜的培养基基质稀释，最终导致电压下降。经过短暂的适应后，EAM代谢产生了足够的电子穿梭体，以保持较快的电子传输速率，从而使电压反弹。耗时48天的长期恒流放电试验的结果显示。测试前，iMFC处于开路状态，开路电压OCV为0.75 V，采用不同的电流强度对iMFC放电（0.02、0.20和0.50 mA）。最初，放电电流强度设置为0.20 mA，即中等强度。iMFC的电压急剧下降，但经过一段时间的适应（约5 d），电压的下降趋势有所放缓。为防止阳极细菌群落受到过度干扰，放电暂时终止，可以观察到iMFC的电压迅速增加并恢复到初始的OCV。随后，进行低强度电流放电（0.02 mA），在此期间iMFC电压始终保持稳定（在0.50至0.75 V之间）。最后再施加高强度放电（0.50 mA）。虽然电压最初下降，但不久后便迅速增加，最终在0.28-0.33 V长时间保持稳定状态。测试过程中，高强度放电后iMFC的放电容量呈线性增加（第48天容量为294.32 mAh）。
iMFC电性能和产电能力曲线
阳极CV曲线具有典型的不对称形状，在负电位（从-1.0 V到-0.50 V）处具有突出的还原峰。随着扫描速率的增加，阳极还原峰的位置向右移动，峰值电流和积分面积逐渐增大。然而，阴极CV曲线相对平滑，具有对称的正负电位，并且没有明显的氧化还原峰。可以看出，iMFC的阳极电化学分析比阴极更有意义。CV曲线可用于间接确定电极上发生的电子转移机制。iMFC阳极中发生了两种主要的电子转移机制，即直接电子转移过程（DET）和间接电子转移过程（IET）。DET过程主要发生在阳极表面和生物膜上。生物膜的活细胞消耗底物（电子受体）并进行一系列酶促反应。然后，电子通过固有的电子转移机制产生和输出，并且部分电子被阳极通过导电结构（例如，纳米导线）和细胞外酶（例如，细胞色素）收集和转移。仅当导电活性位点足够接近电极表面时，才会发生DET过程。一些微生物（如Geobacter）含有鞭毛，可以延伸数十微米，并用作长距离直接电子转移纳米导线。IET过程由电子介质或穿梭（如吩嗪，H2或HS-）完成，它们可以携带电子并在电极表面反应。
此外，阳极上的限速电流（约0.025 mA）达到-0.37 V，表明在阳极生物膜和电极之间建立了连续的稳态电流连接。同时，随着电压扫描速率的增加，限速电流也逐渐增加，表明在高扫描速率下电极与生物膜之间产生的稳态电流更大。赝电容不仅在电极表面产生，而且会在整个电极内产生，因此可以获得比传统的双电层电容器更高的电容和能量密度。循环伏安赝电容测试是评估电极电化学动力学的有力方法。通过拟合不同扫描速度下的电流值，获得k1值，然后可以估计电容效应与iMFC总容量的贡献比。
发生电容效应的区域（橙色阴影部分）主要位于阳极CV曲线的还原峰两侧，并集中在负电位区域。赝电容效应对总电量的贡献随着扫描速率的增加而增加，从23.72%（10 mV s-1）增加到36.61%（20 mV s-1）和49.74%（50 mV s-1）。与此相反，双电层电容对总电容的贡献随着扫描速率的增加而降低（从72.68%（10 mV s-1）到63.69%（20 mV s-1）和50.26%（50 mV s-1）。以赝电容为主的电荷存储过程和以双电层电容器为主的离子扩散过程构成了对总电容的贡献。值得注意的是，随着扫描速率的增加，阳极的CV曲线上存在显著的赝电容效应，赝电容对iMFC中总电容的贡献率显著增加，在50 mV s-1的扫描速率下，该贡献占贡献的近一半， 这可能有利于iMFC的能量存储。对于iMFC，EAM可以使用细胞膜上的还原酶和自产介质来临时存储电荷。此外，大量的电子积聚在生物膜表面上以形成电容。双电层电容器为iMFC提供更好的充放电倍率，而伪电容为iMFC提供更好的储能潜力。
iMFC 循环伏安曲线
其次，本研究还发现iMFC具有很强的水质净化能力。在前48 h，COD去除率为81.20%，库伦效率仅达到6.17%。结果表明iMFC的水质处理和发电过程可能是相互阻碍的。库伦效率随着时间的推移逐渐增加至23.07%，表明iMFC的性能有所提高。阴极微生物的代谢也有助于废水中的有机物消除，主要通过好氧降解。前48小时内，iMFC将TN从68.33 mg L-1降低到41.33 mg L-1，导致39.51%的TN去除率。在实验结束时（168小时），TN降至29.71 mg L-1，去除效率为56.59%。硝酸盐既可充当电子受体在阴极被消耗，亦可为阳极反硝化细菌被还原成氮气。
连续运行168小时iMFC水处理和库仑效率的柱状图
iMFC使用泡沫镍柱作为阳极，细菌纤维素膜作为阳极保护层包覆阳极，后外覆一层催化剂改性碳布作为阴极。泡沫镍具有六边形组成的多孔结构，石墨烯片均匀覆盖表面。石墨烯片众多碳纳米纤维为EAM和胞外聚合物（EPS）提供了很大的表面积。EDS结果表明，该材料主要由碳和镍以及微量的氧，硫，氯化物和钠组成。碳布（厚度0.30毫米）与碳纤维（直径10μm）交织在一起。碳布双面均负载高效氧化还原反应催化剂，该催化剂由氟、硫、铁和铂组成，可有效地阻止阳极和阴极的收缩，但不会阻碍传质（营养物质、电子和H+等）。
运行一段时间后，在阳极上形成松散多孔的多层厚生物膜，主要含有棒状和球状细菌。此外，阳极生物膜上的一些杆菌被拉伸得更长。一些细菌的表面被胞外物质均匀地包裹，这可能有助于发电。而阴极上长有生物膜，可以看到各种丝状或网状细胞外产物。像阳极一样，阴极上的许多细菌与网状细丝紧密缠绕。此外，还有许多晶体和颗粒，它们可能是iMFC上微生物长期侵蚀后留下的组分碎片。阴极生物膜的结构更加紧凑、粗糙，生物膜的形成会通过阻止质子转移到催化剂来影响iMFC的长期性能。阴极中的孔隙可能被堵塞，从而减少氧扩散，从而对ORR反应产生负面影响。此外，盐的沉淀（钙、铁、镍和镁等）会阻断孔隙结构，减少电化学活性位点的暴露，并抑制ORR反应。
iMFC电极材料长期运行后的扫描电镜表征
最后，本研究还对MFC电极进行16S rRNA基因和16S rRNA测序。α多样性分析显示阳极细菌群落Chao1、Simpson 和Shannon 指数均高于阴极，表明阳极细菌的群落丰度与多样性较阴极更高。根据16S rRNA基因测序结果，阳极优势菌属为Comamonas（60.45%）和Delftia（13.09%），而16S rRNA测序数据表明阳极群落主要由Delftia（33.91%），Flavobacterium（20.80%）和Shinella（11.67%）等组成。Comamonas可代谢包括氨基酸、羧酸、类固醇和芳香族化合物在内的多种底物，大多数Comamonas是需要氧化的异养生物，但一些成员（例如，C. nitrativorans 和C. denitrificans）可以使用硝酸盐或铁离子作为电子受体。Delftia广泛存在于河流水、活性污泥、土壤和其他环境中，具备将硝酸盐还原为亚硝酸盐的能力，在本研究中Delftia可能在总氮去除方面发挥重要作用作用。与阳极不同，阴极群落主要由Delftia（70.97%和34.18%），Flavobacterium（7.16%和25.65%）和Comamonas（4.88%和9.04%）组成。
与产电有关的细菌Pseudomonas在两个电极上均有检测到，阳极中Pseudomonas的丰度分别为0.80%和3.49%，高于阴极（0.42%和0.31%）。Pseudomonas是常见的电化学活性菌，被归类为弱外生电原菌群，是iMFC中低电流密度产电菌。Pseudomonas的部分成员，例如Rhodopseudomonas palustris，在长期适应后可以使MFC产生更高的功率输出。研究表明，由IV型纤维蛋白单体组装的e-pili可以直接参与电子能量转移（EET）过程，并且可以通过Pseudomonas aeruginosa的fimbrin基因的异源表达形成。此外，仅在阳极中发现了Clostridium_sensu_stricto_13（16S rRNA基因和16S rRNA测序丰度分别为0.20%和0.32%），该菌属已被证明具有EET能力，然而当前对其产电机制了解相对较少。同时，很大一部分细菌群体仅通过16S rRNA基因测序检测到，但未通过16S rRNA测序检测到。
基于MFC电极的16S rRNA基因和16S rRNA微生物群落多样性分析组图
04、总 结
制备了一种“即插即用”的新型集成无室微生物燃料电池（iMFC），并将其应用于废水能量回收；
iMFC具备较强耐受和适应环境变化的能力，可在非厌氧条件下长期运行；
低内阻和高赝电容效应有助于iMFC的性能，在对iMFC内部的离子扩散进行优化后可进一步提高容量；
阳极微生物群落多样性高于阴极，且阳极和阴极中的微生物群落结构存在较大差异；
数以百计的iMFC偶联电池充放电系统是极具应用前景的绿色技术，可为用电设备进行集中供电。
以上研究的测序和部分数据分析工作由上海派森诺生物科技有限公司完成。如需进一步讨论，欢迎讨论区留言或者发邮件给我们哟（邮箱地址：metasupport@personalbio.cn）！
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.
