研究簡介:隨著21世紀水資源可持續管理和能源安全需求的日益凸顯，傳統廢水處理部門因依賴化石能源，消耗全球約3%的電力并貢獻1.6%的溫室氣體排放，成為環境治理的焦點問題。光合微生物燃料電池（PMFCs）作為一種變革性技術，通過利用光合微生物（如微藻）替代傳統高能耗曝氣過程，將廢水處理與可再生能源生產相結合，為實現碳中和目標提供了新路徑。本研究系統闡明了外部電阻和陰極構型如何通過生物電化學機制調控氮轉化、碳動態及微藻-細菌相互作用。微藻基陰極實現了凈負二氧化碳通量，并比開路系統降低約37%的一氧化二氮排放。與混合微生物和惰性陰極相比，微藻陰極的全球變暖潛能顯著降低，這歸因于增強的二氧化碳固定以及甲烷和氧化亞氮排放的抑制。降低外部電阻（如100Ω）可增強胞外電子傳遞，這與pilA和OmcS基因豐度升高以及電活性菌屬的富集密切相關。低電阻條件促進直接電子傳遞途徑，而高電阻則誘發間接介導的電子轉移補償機制。陽極區域的一氧化二氮還原歸因于反硝化細菌表達的一氧化二氮還原酶，其電子來源于有機物氧化。陰極區域的光合作用刺激了硝化過程，同時微藻通過同化作用去除營養鹽，提升整體脫氮效率。質量平衡分析表明，閉路運行下氮去除主要由完全反硝化和生物質同化驅動。PMFCs通過整合營養鹽去除、碳捕獲和能量回收，為可持續廢水處理提供了創新平臺。微藻生物質可作為生物燃料或高值化產品的原料，推動循環生物經濟發展。本研究揭示了電化學-微生物耦合機制在促進可持續廢水處理方面的潛力，為降低碳足跡的生物電化學系統設計提供了理論依據和技術支撐。

Unisense微電極系統的應用

Unisense微電極系統（特別是其高精度微呼吸測定儀）被專門用于深入探究PMFC系統中一氧化二氮（N?O）的還原機制和動力學特性。構建了一個包含Unisense微電極的6 mL反應室體系。實驗前合成廢水經過純氮氣吹脫以去除氧氣，確保N?O是唯一的限制性底物。隨后向反應室中加入約20μL的25 mmol/L N?O溶液，使其初始濃度達到~100μmol/L。反應溶液在400 rpm的轉速下持續攪拌，并使用Clark型的N?O微傳感器每3秒監測一次溶解N?O的濃度，持續4小時，以精確跟蹤N?O濃度隨時間的變化。

實驗結論

微藻基陰極在閉路運行條件下表現出最優的環保效益，實現了凈負二氧化碳通量（-3.01±0.99 mmol m?2d?1），并通過光合作用有效固定碳源。同時，其氧化亞氮（N?O）排放量較開路系統降低約37%，甲烷（CH?）排放量亦為所有構型中最低（4.70±0.36 mmol m?2d?1）。微藻光合產氧抑制了甲烷生成，并促進硝化作用，從而顯著降低系統的全球變暖潛能（GWP為114.86±9.21 mmol CO?-eq m?2d?1）。低外部電阻（100Ω）顯著提升系統性能，化學需氧量（COD）去除率達83.8±6.1%，硝酸鹽氮（NO??-N）去除率高達96.5±0.6%。

其機制在于低電阻促進胞外電子傳遞，富集電活性菌屬（如Geobacter、Pseudomonas），并上調直接電子傳遞相關基因（pilA、OmcS）的表達。相反，高電阻（10,000Ω）導致電子傳遞效率下降，引發硝態氮積累。陽極區域在低電阻下通過反硝化細菌（如Shinella）的nosZ基因表達高效還原N?O，而陰極區域依賴微藻光合作用驅動銨鹽氧化。功能基因分析顯示，低電阻條件下硝酸鹽還原基因（narG、napA）豐度上升，但亞硝酸鹽還原基因（nirS、nirK）相對不足，導致亞硝酸鹽短暫積累。

質量平衡分析進一步證實，閉路系統中氮去除主要依賴完全反硝化與生物同化。低電阻（100Ω）下陽極生物膜以電活性Proteobacteria為主，形成專性共生網絡（陽性關聯達89.9%），促進定向電子傳遞。而高電阻與開路條件則富集發酵型與產甲烷菌群，導致代謝路徑轉向非產電過程。共現網絡分析表明，系統穩定性依賴于模塊化的小世界結構（模塊性0.932），凸顯了電化學條件對微生物互作的關鍵影響。研究通過耦合溫室氣體監測、微生物動力學與電化學分析，闡明PMFCs在單一系統內同步實現廢水凈化、碳捕獲與能源回收的可行性。微藻生物質可作為生物燃料原料，推動循環生物經濟發展。