人工溼地-微生物燃料電池原位監測技術研究獲進展

人工溼地系統中自上而下的氧化還原電位梯度，具備了形成電池的陰、陽極電勢差的天然條件；而顆粒導電電極填料則加速了微生物燃料電池與人工溼地的有機融合。運用在垂向不同位置處嵌入電極形成的人工溼地-微生物燃料電池（CW-MFC）技術，可在強化汙水淨化的同時利用電化學活性菌（EAB）的胞外電子傳遞過程實現電子的捕獲以及傳輸電壓和電流等電訊號，使有機物中蘊含的化學能轉化為電能。CW-MFC型生物感測器正是利用這一原理，將汙水中的有機物轉化為電訊號，實現COD的原位監測；同時，避免了常規MFC型感測器中陽極和陰極氧化還原環境的頻繁維護，以及因容量小、富集的EAB有限而易受衝擊負荷影響的問題。

面對較多影響感測效能的引數，中國科學院水生生物研究所從感測器裝置結構上著手，將電極位置、電極間距和電極大小等影響感測效能的引數整合簡化為結構引數S，定義為陽極導電填料層厚度和非導電隔離層厚度之比【也是陽極體積與電極間距體積之比，可理解為陽極體積與裝置體積比和電極間距體積與裝置體積比的比值（圖1）】。研究探討結構引數S對輸出電訊號、感測效能及EAB等功能菌群的影響，揭示該型別感測器的感測機制。

研究發現，三種S構型生物感測器雖在擬合度、檢測範圍、檢測時間和靈敏度等感測效能上存在差異，但均能實現對COD的良好響應。陽極區和陰極區富集的產電功能菌（EAB）和氮轉化功能菌（NTB）之間的不同競爭態勢是造成感測效能差異的關鍵（圖2）。在不同S構型的感測器中，陽極與陰極區域富集的EAB和NTB均達到不同程度的穩態平衡，從而使裝置表現出不同的電感測效能。此外，在陽極區域，EAB決定降解有機物傳遞出的電子數量，而NTB與EAB爭奪有機底物，也與陽極競爭EAB產生的電子，因而干擾輸出電壓訊號。電荷量由於是時間累積量，比電壓訊號穩定，更適合作檢測訊號。進一步最佳化電訊號發現，當以穩定電壓電荷量（Qs）作訊號時，在不影響檢測效果前提下，檢測時間最快縮短70%（圖3）。

該研究創新性提出影響CW-MFC型生物感測器效能的結構引數S，並提出以穩定電壓庫倫量（Qs）為感測訊號來實現感測效能最佳化。實際應用中，CW-MFC還可作為COD超標的預警，甚至透過電訊號聯網，實現人工溼地系統執行狀態的遠端監測。相關研究成果以In situ COD monitoring with use of a hybrid of constructed wetland-microbial fuel cell為題，線上發表在Water Research上。研究工作得到國家自然科學基金和湖北省科技創新工程的資助。

圖1.影響CW-MFC型感測器效能的結構引數S

圖2.不同S構型CW-MFC對COD的感測效能差異及其機制

圖3.穩定電壓庫倫量（Qs）可作為最佳化感測訊號

來源：中國科學院水生生物研究所