Non-sealed water hastens the efficiency of microbial electrochemical  remediation system

非密封水加快了微生物電化學(xué)修復(fù)系統(tǒng)的效率

來源：Journal of Cleaner Production 468 (2024) 143008

1. 摘要核心內(nèi)容

核心發(fā)現(xiàn)：低水位密封（MES?）顯著提升微生物電化學(xué)系統(tǒng)（MES）修復(fù)石油污染土壤的效率，其電荷積累（1282 C）是最高水位組（MES?，151 C）的8.5倍，石油烴（TPH）去除率提高4–11%。

機(jī)制：低水位通過增強(qiáng)溶解氧（DO）擴(kuò)散、降低電阻，促進(jìn)細(xì)菌群落協(xié)同作用（正相互作用占比高），驅(qū)動(dòng)電子傳遞和污染物降解。

微生物證據(jù)：細(xì)菌（如Pseudomonas、Bacillus）在MES?中主導(dǎo)降解，而高水位（MES?）更利于真菌和古菌（如Methanosarcina）生長。

2. 研究目的

探究不同水位密封水平（0 cm, 3 cm, 5 cm, 動(dòng)態(tài)0-3-5 cm）對土壤MES性能的影響。

揭示水位如何通過調(diào)控溶解氧（DO）、氧化還原電位（Rd）、電阻等物理化學(xué)參數(shù)，影響微生物群落結(jié)構(gòu)與功能，進(jìn)而優(yōu)化石油烴降解效率。

3. 研究思路

系統(tǒng)構(gòu)建：

以石油污染土壤為基質(zhì)，構(gòu)建單室MES（陽極在底，陰極在頂），設(shè)置4種水位密封處理（MES?, MES?, MES?, MES?????）。

多維度監(jiān)測：

電化學(xué)性能：電壓、電荷積累、功率密度、阻抗（EIS）；

環(huán)境參數(shù)：原位DO、Rd、H?（Unisense微電極）、pH、EC、硫酸鹽；

污染物降解：TPH、TOC含量；

微生物響應(yīng)：細(xì)菌/真菌/古菌群落結(jié)構(gòu)、功能基因預(yù)測（FAPROTAX）、共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析。

關(guān)聯(lián)分析：

關(guān)聯(lián)電化學(xué)數(shù)據(jù)-環(huán)境參數(shù)-微生物群落，解析水位影響降解的機(jī)制。

4. 測量數(shù)據(jù)及其研究意義

（1）電化學(xué)數(shù)據(jù)（圖1）

數(shù)據(jù)：電壓（圖1a）、累積電荷（圖1b）、功率密度/極化曲線（圖1c-f）、EIS譜（圖1g-i）。

意義：

MES?電荷輸出（1282 C）顯著高于MES?（151 C），且電荷轉(zhuǎn)移電阻最低（圖1h），證明低水位降低電子傳遞阻力，提升系統(tǒng)效率。

（2）Unisense微電極原位數(shù)據(jù)（圖2）

數(shù)據(jù)：

DO深度剖面（圖2a-b）：MES?表層DO高達(dá)175.7 μmol/L，且隨深度遞減更快；

H?分布（圖2c）：MES?濃度反常高于高水位組；

Rd剖面（圖2d-f）：高水位組（MES?）氧化性更強(qiáng)（Rd更高）。

研究意義：

Unisense微電極提供了毫米級分辨率的原位環(huán)境參數(shù)，揭示：

DO的關(guān)鍵作用：低水位促進(jìn)氧擴(kuò)散至陰極區(qū)，驅(qū)動(dòng)好氧降解（如Pseudomonas）；高水位則形成厭氧環(huán)境，微生物轉(zhuǎn)向硝酸鹽/硫酸鹽呼吸（圖7d-e）。

反常H?分布：MES?的高H?暗示電流生成可能抑制發(fā)酵過程（需結(jié)合微生物數(shù)據(jù)驗(yàn)證）。

Rd與代謝路徑關(guān)聯(lián)：高Rd（MES?）對應(yīng)硫酸鹽還原菌（如Desulfobacterota）富集（圖4e），解釋厭氧降解途徑的激活。

（3）污染物數(shù)據(jù)（圖3）

數(shù)據(jù)：TPH去除率（圖3a）、TOC含量（圖3b）。

意義：MES?陰極區(qū)TPH去除率最高（39–42%），證實(shí)好氧降解主導(dǎo)；TOC在陽極區(qū)積累（圖3b），反映陽極生物膜對有機(jī)物的電化學(xué)氧化。

（4）微生物數(shù)據(jù)（圖4–8）

群落組成（圖4）：

MES?富集電活性菌（Proteobacteria、Firmicutes）；MES?富集古菌（Methanosarcina）和硫酸鹽還原菌。

功能預(yù)測（圖7）：

MES?中烴降解基因豐度高；MES?中硫酸鹽呼吸、產(chǎn)甲烷基因主導(dǎo)。

共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（圖8、表1）：

MES?細(xì)菌正相互作用占比高（66/115），關(guān)鍵菌（Marinobacter、Halomonas）形成緊密協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。

5. 核心結(jié)論

低水位（MES?）為最優(yōu)配置：

提升電荷輸出7.5倍（vs. MES?），TPH去除率提高30%（vs. 原始土壤）。

機(jī)制解析：

DO驅(qū)動(dòng)好氧降解：低水位促進(jìn)氧擴(kuò)散至陰極區(qū)，激活好氧菌（如Pseudomonas）降解TPH。

微生物群落重構(gòu)：MES?中細(xì)菌協(xié)同網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)（圖8），而MES?中古菌/真菌替代細(xì)菌主導(dǎo)厭氧降解。

電子傳遞優(yōu)化：低水位降低電荷轉(zhuǎn)移電阻（圖1h），加速電子從陽極（降解污染物）向陰極（氧還原）傳遞。

Unisense數(shù)據(jù)的核心價(jià)值：

揭示空間異質(zhì)性：DO/Rd的毫米級梯度證明陰極區(qū)為好氧降解熱點(diǎn)（圖2a,d），陽極區(qū)為厭氧區(qū)（低Rd）。

關(guān)聯(lián)微生物代謝：DO數(shù)據(jù)直接解釋Proteobacteria（好氧）在MES?的富集；Rd數(shù)據(jù)印證MES?中硫酸鹽還原菌的競爭優(yōu)勢（圖4e）。

指導(dǎo)工程優(yōu)化：證實(shí)水位通過調(diào)控DO控制微生物代謝路徑，為MES設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

6. Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

測量方法與技術(shù)優(yōu)勢

技術(shù)：丹麥Unisense微電極（直徑1 mm），以15 s/點(diǎn)的分辨率獲取DO、H?、Rd的深度剖面（圖2）。

優(yōu)勢：

原位高分辨：避免土壤擾動(dòng)，實(shí)時(shí)捕捉毫米級環(huán)境梯度（如DO從陰極→陽極的遞減）。

多參數(shù)同步：關(guān)聯(lián)DO（電子受體）、Rd（氧化還原狀態(tài)）、H?（發(fā)酵產(chǎn)物），全面解析代謝環(huán)境。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義

DO的空間動(dòng)態(tài)（圖2a-b）：

MES?陰極區(qū)DO最高（175.7 μmol/L），支持好氧降解；MES?中DO快速耗盡，轉(zhuǎn)向厭氧代謝。

意義：直接驗(yàn)證“水位通過DO調(diào)控微生物代謝類型”的假設(shè)，解釋TPH去除率的差異（MES?陰極區(qū)降解率最高）。

Rd的氧化還原分區(qū)（圖2d-f）：

MES?的Rd顯著高于MES?（尤其在深層），對應(yīng)硫酸鹽還原菌（Desulfobacterota）的富集（圖4e）。

意義：Rd梯度證實(shí)土壤內(nèi)形成“陰極好氧/陽極厭氧”的分區(qū)，指導(dǎo)電極布局優(yōu)化。

H?的反常分布（圖2c）：

MES?的H?濃度高于高水位組，違背“厭氧環(huán)境產(chǎn)H?”常規(guī)認(rèn)知。

意義：暗示電流生成可能抑制發(fā)酵產(chǎn)氫，需結(jié)合古菌數(shù)據(jù)（如產(chǎn)甲烷菌）進(jìn)一步驗(yàn)證電子分流機(jī)制。

對研究的貢獻(xiàn)

機(jī)制驗(yàn)證：微電極數(shù)據(jù)將宏觀性能（電荷、TPH去除）與微觀環(huán)境（DO/Rd梯度）關(guān)聯(lián)，闡明水位影響降解的物理化學(xué)基礎(chǔ)。

技術(shù)創(chuàng)新：首次在土壤MES中實(shí)現(xiàn)多參數(shù)原位監(jiān)測，為復(fù)雜基質(zhì)中的電化學(xué)-微生物互作研究提供范式。

總結(jié)

該研究通過多維度數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證，證實(shí)低水位密封（MES?）通過增強(qiáng)氧擴(kuò)散、降低電阻、促進(jìn)細(xì)菌協(xié)同，顯著提升MES修復(fù)效率。Unisense微電極數(shù)據(jù)是解析機(jī)制的核心，其揭示的DO/Rd/H?空間異質(zhì)性為理解“水位-環(huán)境參數(shù)-微生物功能”鏈條提供了不可替代的原位證據(jù)。