人工湿地

资料来源：水产所2022-02-14 08:14

人工湿地系统中自上而下的氧化还原电位梯度具有形成电池正负极电位差的自然条件。颗粒导电电极填料加速了微生物燃料电池与人工湿地的有机融合。利用垂直方向不同位置嵌入电极形成的人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)技术，可以增强污水净化，利用电化学活性细菌(EAB)的胞外电子转移过程捕获电子并传输电压、电流等电信号，从而

人工湿地系统中自上而下的氧化还原电位梯度具有形成电池正负极电位差的自然条件。颗粒导电电极填料加速了微生物燃料电池与人工湿地的有机融合。利用垂直方向不同位置嵌入电极形成的人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)技术，可以增强污水净化，利用电化学活性细菌(EAB)的细胞外电子转移过程捕获电子并传输电压、电流等电信号，使有机物中所含的化学能转化为电能。CW-MFC生物传感器利用这一原理将污水中的有机物转化为电信号，实现对COD的原位监测。同时，避免了常规MFC传感器频繁维护正负极氧化还原环境，以及因容量小、富集EAB有限而易受冲击负荷影响的问题。

面对影响传感性能的诸多参数，中国科学院水生生物研究所从传感器器件结构入手，将影响传感性能的电极位置、电极间距、电极尺寸等参数简化为结构参数S，定义为阳极导电填充层厚度与非导电间隔层厚度之比(也称阳极体积与电极间距体积之比，可理解为阳极体积与器件体积之比、电极间距体积与器件体积之比(图1))。研究结构参数S对输出电信号、传感性能和EAB等功能菌群的影响，揭示这类传感器的传感机理。

研究发现，三种S型生物传感器具有不同的传感性能，如拟合度、检测范围、检测时间和灵敏度等，但均可实现对COD的良好响应。在阳极和阴极区域富集的产电功能细菌(EAB)和氮转化功能细菌(NTB)之间的不同竞争情况是传感性能差异的关键(图2)。在不同S构型的传感器中，阳极区和阴极区富集的EAB和NTB达到不同程度的稳态平衡，使得器件表现出不同的电传感性能。此外，在阳极区域，EAB决定降解有机物传输的电子数量，而NTB和EAB争夺有机底物，也与阳极争夺EAB产生的电子，从而干扰输出电压信号。因为电荷量是时间累积量，比电压信号更稳定，更适合检测信号。通过进一步优化电信号，发现当采用稳定电压电荷(Qs)作为信号时，在不影响检测效果的情况下，检测时间可以尽快缩短70%(图3)。

本研究创新性地提出了影响CW-MFC生物传感器性能的结构参数S，并提出以稳定电压库仑(Qs)作为传感信号来优化传感性能。实践中，CW-MFC还可以作为COD超标的预警，甚至可以通过电信号联网实现对人工湿地系统运行状态的远程监控。相关研究成果在线发表在《水研究》杂志上，题目是利用人工湿地-微生物燃料电池的混合物进行现场cod监测。该研究得到了国家自然科学基金和湖北省科技创新项目的资助。(100yiyao.com)

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