“编者在24年10月12日文献情报中关注到北京林业大学李敏教授团队探究发现沉积物微生物燃料电池是一种有前景的底泥有机物去除与磷酸盐固定技术，特邀该团队为本公众号撰写了该研究的亮点部分，希望该研究成果能给关注者启发，从中获得灵感，促进天然有机质研究工作的开展。”
导读
沉积物微生物燃料电池（SMFCs）是一种能够有效去除底泥中有机碳化合物和固定底泥磷的技术，可将沉积物修复与产电相结合。本文对SMFCs去除沉积物中有机质、抗生素、油类污染物、甲烷、持久性污染物等有机碳化合物的效能进行了较为全面和有针对性的总结，同时从固定底泥磷的角度阐述了其对水体内源磷污染的控制作用。本文以微生物群落为切入点，探讨了其在SMFCs运行中对磷及有机碳化合物去除的作用。此外，还综述了电极改性、外源物质添加以及与其他技术相结合等提升SMFCs性能的方法。SMFCs具有长期可持续发展的潜力，但仍需在SMFCs作用机制及装置优化等方面不断深入研究，以便将其应用于实践。
沉积物微生物燃料电池（SMFCs）是一种基于电活性微生物作用的新型沉积物修复技术，具有结构简单、清洁且成本低的优势，在有机碳化合物去除和缓解磷污染方面前景广阔。尽管当前已有部分关于SMFCs的综述文章，但主要集中在产电、甲烷排放抑制、运行参数、重金属修复、水生植物与SMFCs联用等方面。对SMFCs去除有机碳化合物的研究尚不够全面，也未深入分析阳极富集的微生物，对上覆水体中磷的迁移转化以及沉积物中磷的固定总结亦不够充分。本文详细阐释了上述问题，以期为相关研究提供更全面的参考。
▲图1 沉积物微生物燃料电池原理图（来源：ScienceDirect）
SMFCs能够以有机碳作为生物修复的基质和能源，同时降解复杂的有机碳化合物并减少沉积物中有机碳的含量。微生物在阳极附近的活性对于降解有机碳化合物至关重要，不同种类和含量的有机质会显著影响微生物群落的组成和去除效率。其中抗生素的去除率最高，主要得益于SMFCs耦合电芬顿技术的有效作用。SMFCs对多氯联苯的降解尽管有一定效果，但由于脱氯过程复杂，去除率较低。同时，SMFCs还能减少沉积物中产甲烷菌的积累，从而降低CH4的产生量。电活性微生物在SMFCs中起关键作用，如Geobacter、Pseudomonas和Clostridium等能增强有机物的降解和电流产生。
▲图2 (a)沉积物微生物燃料电池对各类有机碳化合物的去除效率；(b)各种不同有机碳化合物的去除率（来源：ScienceDirect）
此外，SMFCs的运行不仅能去除上覆水体中的磷，还能固定沉积物内源磷，这也为解决当前水体富营养化问题提供了新方向。SMFCs通过在上覆水和沉积物之间形成内部回路，增强磷从上覆水迁移到沉积物的能力，从而减少水体中磷的浓度。SMFCs固定沉积物磷的机制主要包括抑制铁氧化物还原、硫化物氧化、有机磷矿化等，SMFCs能显著提高沉积物表层的氧化还原电位，减少磷的释放并增加稳定态磷的含量。
▲图3 磷在天然沉积物和沉积物微生物燃料电池中的主要迁移和转化过程（来源：ScienceDirect）
SMFCs是一种具有潜力的绿色修复技术，不仅能有效降低沉积物中的有机碳化合物，还能通过固定磷缓解水体富营养化问题。然而，当前研究主要集中于实验室规模，对微生物与电极间的相互作用、地球化学循环机制的研究尚不够深入。今后需要进一步优化其性能和长期稳定性，并通过多学科协作推动其在环境修复中的实际应用。
[1] Hu, Z., He, Q., Zhao, H., Wang, L., Cheng, Y., Ji, X., Guo, Y., Hu, W., Li, M., 2024. Organic carbon compounds removal and phosphate immobilization for internal pollution control: Sediment microbial fuel cells, a prospect technology. Environ. Pollut. 363, 125110.
联系作者:
胡真真，硕士研究生，北京林业大学，Email：13780617978@163.com
李敏，教授，北京林业大学，Email：minli@bjfu.edu.cn
扩展阅读
本文编辑：谷婷婷
本文审订：何伟
| 版权申明：本公众号为非盈利性新媒体，所刊载文章版权属于原作者及相关出版商所有，如发生侵权行为，请及时与公众号编辑联系，我们会与原作者、相关出版机构协商解决。 |
更多信息关注“天然有机质研究情报”。
