圖1、PMFC在各種外部電阻條件下（100Ω、1000Ω、10,000Ω及開路）下的有機(jī)和養(yǎng)分去除性能。a)陽極（淺綠色條）和陰極（黃色條）的COD減少，整體COD去除效率（紅色菱形標(biāo)記），b)進(jìn)流（深綠色條）、陽極出水（淺綠色條）和陰極廢水（黃色條）中的NO3?-N濃度，相應(yīng)的去除效率（紅色菱形標(biāo)記），c)NO2?-進(jìn)水（深綠色條）、陽極出水（淺綠色條）和陰極出水（黃色條）中的N濃度，整體去除效率（紅色菱形標(biāo)記），以及d)NH4+-N濃度，分別在進(jìn)水（深綠色條）、陽極出水（淺綠色條）和陰極排水（黃色條）中，整體去除效率（紅色菱形標(biāo)記）。

圖2、在不同外部電阻和電路條件下，與陽極PMFC細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移和氮循環(huán)相關(guān)的功能基因相對豐度。a)為細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移相關(guān)基因（pilA、OmcS和OmcB），b)為硝酸鹽還原基因（narG和napA），c亞硝酸鹽還原基因（nirS和nirK）及nirS/nirK比值，d)為一氧化二氮還原基因（nosZI和nosZII）及（nosZI+nosZII）/（nirS+nirK），e)陽極處有氨氧化基因（AOB AmoA和CMX AmoA），f)陰極處有氨氧化基因（AOB AmoA和CMX AmoA）。

圖3、a)PMFCs的生物電力發(fā)電表現(xiàn)。在不同外部電阻下的功率密度為100Ω（海軍色圓標(biāo)記）、1000Ω（綠色方形標(biāo)記）、10,000Ω（黃色三角標(biāo)記）、b)級功率密度（不同陰極配置）、微藻（綠色圓標(biāo)記）、微藻開路（藍(lán)色方形標(biāo)記）、混合微生物（黃色三角標(biāo)記）和非生物（紅色菱形標(biāo)記）陰極、c)PMFC在各種外部電阻下的半電池電位，數(shù)據(jù)點表示如下：陽極100Ω（藍(lán)色填充三角形）、陰極100Ω（藍(lán)色開三角形）、陽極1000Ω（黃色填充方塊）、陰極1000Ω（黃色開方塊）、陽極10,000Ω（紅色填充圓圈）、陰極10,000Ω（紅色開圓）、d)庫侖效率（CE，藍(lán)色條）和能量回收歸一化為去除COD后的（NERs，黃色條）和能量回收歸一化為廢水流量（NERv，紅色菱形標(biāo)記），在不同外部電阻條件下（100Ω、1000Ω和10,000Ω），e）開路作下的循環(huán)伏安法（CV）曲線。f)閉路作下的fCV曲線。

圖4、PMFC在不同陰極配置下的溫室氣體通量和溶解氧。a)為CO2通量，b)為CH4通量，c)為N2O，d)為溶解氧濃度。箱形圖表示微藻、微藻開路、混合微生物和非生物陰極的數(shù)值分布。方框上方的不同字母表示處理間具有統(tǒng)計學(xué)顯著性的差異。

圖5、陽極室和陰極室中PMFC在明暗條件下的N2O還原電位及動力。a）N2O濃度隨時間下降，對應(yīng)的N2O呼吸速率，b）N2O還原反應(yīng)速度（V），c）最大反應(yīng)速度（Vmax）。條形代表均值，誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)差。

結(jié)論與展望

光合作用微生物燃料電池為廢水處理、溫室氣體減排和生物能源回收提供了綜合策略。本論文闡明了外部電阻和陰極構(gòu)型如何調(diào)控氮轉(zhuǎn)化、碳動力學(xué)及微藻-細(xì)菌相互作用的生電化學(xué)機(jī)制。基于微藻的陰極實現(xiàn)了凈負(fù)的二氧化碳通量，并比開路系統(tǒng)低約37%的笑氣排放，相較于混合微生物和非生物陰極，降低了全球變暖潛能。這反映了二氧化碳固定能力增強(qiáng)，并抑制了甲烷和一氧化二氮排放。陽極區(qū)域的一氧化二氮還原歸因于表達(dá)一氧化二氮還原酶的反硝化細(xì)菌，并由有機(jī)物氧化電子支持。光合作用刺激了陰極的硝化作用，而微藻則同化養(yǎng)分，從而改善了去除。較低的外部電阻促進(jìn)了細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移，這與pilA和OmcS基因豐度的升高以及電原屬（包括Shinella、Geobacter和假單胞菌）的富集相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)揭示了促進(jìn)可持續(xù)治療的綜合電化學(xué)-微生物機(jī)制。Unisense微電極在本研究中并非一個簡單的輔助工具，而是深入解析PMFC系統(tǒng)內(nèi)溫室氣體（特別是N?O）轉(zhuǎn)化復(fù)雜生物地球化學(xué)過程的核心技術(shù)手段。它通過高時間分辨率的原位監(jiān)測，將系統(tǒng)的物理化學(xué)條件（光照/黑暗）、空間分區(qū)（陽極/陰極）與微生物功能活性緊密耦合，為論文的核心論點提供了至關(guān)重要且無可替代的實驗證據(jù)。