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

非密封水加快了微生物电化学修复系统的效率

来源：Journal of Cleaner Production 468 (2024) 143008


1. 摘要核心内容


核心发现：低水位密封（MES₀）显著提升微生物电化学系统（MES）修复石油污染土壤的效率，其电荷积累（1282 C）是最高水位组（MES₅，151 C）的8.5倍，石油烃（TPH）去除率提高4–11%。

机制：低水位通过增强溶解氧（DO）扩散、降低电阻，促进细菌群落协同作用（正相互作用占比高），驱动电子传递和污染物降解。

微生物证据：细菌（如Pseudomonas、Bacillus）在MES₀中主导降解，而高水位（MES₅）更利于真菌和古菌（如Methanosarcina）生长。


2. 研究目的


探究不同水位密封水平（0 cm, 3 cm, 5 cm, 动态0-3-5 cm）对土壤MES性能的影响。

揭示水位如何通过调控溶解氧（DO）、氧化还原电位（Rd）、电阻等物理化学参数，影响微生物群落结构与功能，进而优化石油烃降解效率。


3. 研究思路


系统构建：

以石油污染土壤为基质，构建单室MES（阳极在底，阴极在顶），设置4种水位密封处理（MES₀, MES₃, MES₅, MES₀₋₃₋₅）。

多维度监测：

电化学性能：电压、电荷积累、功率密度、阻抗（EIS）；

环境参数：原位DO、Rd、H₂（Unisense微电极）、pH、EC、硫酸盐；

污染物降解：TPH、TOC含量；

微生物响应：细菌/真菌/古菌群落结构、功能基因预测（FAPROTAX）、共现网络分析。

关联分析：

关联电化学数据-环境参数-微生物群落，解析水位影响降解的机制。


4. 测量数据及其研究意义

（1）电化学数据（图1）

数据：电压（图1a）、累积电荷（图1b）、功率密度/极化曲线（图1c-f）、EIS谱（图1g-i）。

意义：

MES₀电荷输出（1282 C）显著高于MES₅（151 C），且电荷转移电阻最低（图1h），证明低水位降低电子传递阻力，提升系统效率。


（2）Unisense微电极原位数据（图2）

数据：

DO深度剖面（图2a-b）：MES₀表层DO高达175.7 μmol/L，且随深度递减更快；

H₂分布（图2c）：MES₀浓度反常高于高水位组；

Rd剖面（图2d-f）：高水位组（MES₅）氧化性更强（Rd更高）。

研究意义：

Unisense微电极提供了毫米级分辨率的原位环境参数，揭示：

DO的关键作用：低水位促进氧扩散至阴极区，驱动好氧降解（如Pseudomonas）；高水位则形成厌氧环境，微生物转向硝酸盐/硫酸盐呼吸（图7d-e）。

反常H₂分布：MES₀的高H₂暗示电流生成可能抑制发酵过程（需结合微生物数据验证）。

Rd与代谢路径关联：高Rd（MES₅）对应硫酸盐还原菌（如Desulfobacterota）富集（图4e），解释厌氧降解途径的激活。


（3）污染物数据（图3）

数据：TPH去除率（图3a）、TOC含量（图3b）。

意义：MES₀阴极区TPH去除率最高（39–42%），证实好氧降解主导；TOC在阳极区积累（图3b），反映阳极生物膜对有机物的电化学氧化。


（4）微生物数据（图4–8）


群落组成（图4）：

MES₀富集电活性菌（Proteobacteria、Firmicutes）；MES₅富集古菌（Methanosarcina）和硫酸盐还原菌。

功能预测（图7）：

MES₀中烃降解基因丰度高；MES₅中硫酸盐呼吸、产甲烷基因主导。

共现网络（图8、表1）：

MES₀细菌正相互作用占比高（66/115），关键菌（Marinobacter、Halomonas）形成紧密协作网络。


5. 核心结论


低水位（MES₀）为最优配置：

提升电荷输出7.5倍（vs. MES₅），TPH去除率提高30%（vs. 原始土壤）。

机制解析：

DO驱动好氧降解：低水位促进氧扩散至阴极区，激活好氧菌（如Pseudomonas）降解TPH。

微生物群落重构：MES₀中细菌协同网络增强（图8），而MES₅中古菌/真菌替代细菌主导厌氧降解。

电子传递优化：低水位降低电荷转移电阻（图1h），加速电子从阳极（降解污染物）向阴极（氧还原）传递。

Unisense数据的核心价值：

揭示空间异质性：DO/Rd的毫米级梯度证明阴极区为好氧降解热点（图2a,d），阳极区为厌氧区（低Rd）。

关联微生物代谢：DO数据直接解释Proteobacteria（好氧）在MES₀的富集；Rd数据印证MES₅中硫酸盐还原菌的竞争优势（图4e）。

指导工程优化：证实水位通过调控DO控制微生物代谢路径，为MES设计提供理论依据。


6. Unisense电极数据的详细解读

测量方法与技术优势


技术：丹麦Unisense微电极（直径1 mm），以15 s/点的分辨率获取DO、H₂、Rd的深度剖面（图2）。

优势：

原位高分辨：避免土壤扰动，实时捕捉毫米级环境梯度（如DO从阴极→阳极的递减）。

多参数同步：关联DO（电子受体）、Rd（氧化还原状态）、H₂（发酵产物），全面解析代谢环境。


关键发现与意义


DO的空间动态（图2a-b）：

MES₀阴极区DO最高（175.7 μmol/L），支持好氧降解；MES₅中DO快速耗尽，转向厌氧代谢。

意义：直接验证“水位通过DO调控微生物代谢类型”的假设，解释TPH去除率的差异（MES₀阴极区降解率最高）。


Rd的氧化还原分区（图2d-f）：

MES₅的Rd显著高于MES₀（尤其在深层），对应硫酸盐还原菌（Desulfobacterota）的富集（图4e）。

意义：Rd梯度证实土壤内形成“阴极好氧/阳极厌氧”的分区，指导电极布局优化。


H₂的反常分布（图2c）：

MES₀的H₂浓度高于高水位组，违背“厌氧环境产H₂”常规认知。

意义：暗示电流生成可能抑制发酵产氢，需结合古菌数据（如产甲烷菌）进一步验证电子分流机制。


对研究的贡献


机制验证：微电极数据将宏观性能（电荷、TPH去除）与微观环境（DO/Rd梯度）关联，阐明水位影响降解的物理化学基础。

技术创新：首次在土壤MES中实现多参数原位监测，为复杂基质中的电化学-微生物互作研究提供范式。


总结


该研究通过多维度数据交叉验证，证实低水位密封（MES₀）通过增强氧扩散、降低电阻、促进细菌协同，显著提升MES修复效率。Unisense微电极数据是解析机制的核心，其揭示的DO/Rd/H₂空间异质性为理解“水位-环境参数-微生物功能”链条提供了不可替代的原位证据。