研究簡介:隨著21世紀水資源可持續(xù)管理和能源安全需求的日益凸顯，傳統(tǒng)廢水處理部門因依賴化石能源，消耗全球約3%的電力并貢獻1.6%的溫室氣體排放，成為環(huán)境治理的焦點問題。光合微生物燃料電池（PMFCs）作為一種變革性技術，通過利用光合微生物（如微藻）替代傳統(tǒng)高能耗曝氣過程，將廢水處理與可再生能源生產(chǎn)相結合，為實現(xiàn)碳中和目標提供了新路徑。本研究系統(tǒng)闡明了外部電阻和陰極構型如何通過生物電化學機制調(diào)控氮轉(zhuǎn)化、碳動態(tài)及微藻-細菌相互作用。微藻基陰極實現(xiàn)了凈負二氧化碳通量，并比開路系統(tǒng)降低約37%的一氧化二氮排放。與混合微生物和惰性陰極相比，微藻陰極的全球變暖潛能顯著降低，這歸因于增強的二氧化碳固定以及甲烷和氧化亞氮排放的抑制。降低外部電阻（如100Ω）可增強胞外電子傳遞，這與pilA和OmcS基因豐度升高以及電活性菌屬的富集密切相關。低電阻條件促進直接電子傳遞途徑，而高電阻則誘發(fā)間接介導的電子轉(zhuǎn)移補償機制。陽極區(qū)域的一氧化二氮還原歸因于反硝化細菌表達的一氧化二氮還原酶，其電子來源于有機物氧化。陰極區(qū)域的光合作用刺激了硝化過程，同時微藻通過同化作用去除營養(yǎng)鹽，提升整體脫氮效率。質(zhì)量平衡分析表明，閉路運行下氮去除主要由完全反硝化和生物質(zhì)同化驅(qū)動。PMFCs通過整合營養(yǎng)鹽去除、碳捕獲和能量回收，為可持續(xù)廢水處理提供了創(chuàng)新平臺。微藻生物質(zhì)可作為生物燃料或高值化產(chǎn)品的原料，推動循環(huán)生物經(jīng)濟發(fā)展。本研究揭示了電化學-微生物耦合機制在促進可持續(xù)廢水處理方面的潛力，為降低碳足跡的生物電化學系統(tǒng)設計提供了理論依據(jù)和技術支撐。

Unisense微電極系統(tǒng)的應用

Unisense微電極系統(tǒng)（特別是其高精度微呼吸測定儀）被專門用于深入探究PMFC系統(tǒng)中一氧化二氮（N?O）的還原機制和動力學特性。構建了一個包含Unisense微電極的6 mL反應室體系。實驗前合成廢水經(jīng)過純氮氣吹脫以去除氧氣，確保N?O是唯一的限制性底物。隨后向反應室中加入約20μL的25 mmol/L N?O溶液，使其初始濃度達到~100μmol/L。反應溶液在400 rpm的轉(zhuǎn)速下持續(xù)攪拌，并使用Clark型的N?O微傳感器每3秒監(jiān)測一次溶解N?O的濃度，持續(xù)4小時，以精確跟蹤N?O濃度隨時間的變化。

實驗結論

微藻基陰極在閉路運行條件下表現(xiàn)出最優(yōu)的環(huán)保效益，實現(xiàn)了凈負二氧化碳通量（-3.01±0.99 mmol m?2d?1），并通過光合作用有效固定碳源。同時，其氧化亞氮（N?O）排放量較開路系統(tǒng)降低約37%，甲烷（CH?）排放量亦為所有構型中最低（4.70±0.36 mmol m?2d?1）。微藻光合產(chǎn)氧抑制了甲烷生成，并促進硝化作用，從而顯著降低系統(tǒng)的全球變暖潛能（GWP為114.86±9.21 mmol CO?-eq m?2d?1）。低外部電阻（100Ω）顯著提升系統(tǒng)性能，化學需氧量（COD）去除率達83.8±6.1%，硝酸鹽氮（NO??-N）去除率高達96.5±0.6%。

其機制在于低電阻促進胞外電子傳遞，富集電活性菌屬（如Geobacter、Pseudomonas），并上調(diào)直接電子傳遞相關基因（pilA、OmcS）的表達。相反，高電阻（10,000Ω）導致電子傳遞效率下降，引發(fā)硝態(tài)氮積累。陽極區(qū)域在低電阻下通過反硝化細菌（如Shinella）的nosZ基因表達高效還原N?O，而陰極區(qū)域依賴微藻光合作用驅(qū)動銨鹽氧化。功能基因分析顯示，低電阻條件下硝酸鹽還原基因（narG、napA）豐度上升，但亞硝酸鹽還原基因（nirS、nirK）相對不足，導致亞硝酸鹽短暫積累。

質(zhì)量平衡分析進一步證實，閉路系統(tǒng)中氮去除主要依賴完全反硝化與生物同化。低電阻（100Ω）下陽極生物膜以電活性Proteobacteria為主，形成專性共生網(wǎng)絡（陽性關聯(lián)達89.9%），促進定向電子傳遞。而高電阻與開路條件則富集發(fā)酵型與產(chǎn)甲烷菌群，導致代謝路徑轉(zhuǎn)向非產(chǎn)電過程。共現(xiàn)網(wǎng)絡分析表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性依賴于模塊化的小世界結構（模塊性0.932），凸顯了電化學條件對微生物互作的關鍵影響。研究通過耦合溫室氣體監(jiān)測、微生物動力學與電化學分析，闡明PMFCs在單一系統(tǒng)內(nèi)同步實現(xiàn)廢水凈化、碳捕獲與能源回收的可行性。微藻生物質(zhì)可作為生物燃料原料，推動循環(huán)生物經(jīng)濟發(fā)展。