《Bioresource Technology》：Simultaneous enhancement of power generation and phosphorus removal in microbial fuel cell using Iron-Carbon composite anode
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微生物燃料電池（MFCs）中開發鐵碳復合陽極，通過調控Fe/Fe?O?比例實現電化學性能與磷去除效率協同提升。2:1比例時電功率提升24.29%，磷去除率提高46.95%，機理涉及鐵還原菌富集、Fe2?持續釋放促進化學沉淀與生物吸收協同作用，以及電子傳遞增強效應。
王子杰|楊曉莉|王若萱|夏陽光|徐佳穎
東南大學土木工程學院，南京211189，中國
摘要
為了同時提高微生物燃料電池（MFCs）的發電效率和磷去除效率，研究人員使用高純度鐵片和Fe2O3顆粒制備了鐵碳復合陽極。實驗結果表明，Fe/Fe2O3的比例是決定MFC性能的關鍵因素，其中2:1的陽極組合實現了最高的磷去除效率和更好的發電效果，分別比對照組提高了46.95%和24.29%。Fe2O3促進了鐵還原菌的富集，從而減輕了鐵片的鈍化現象，并緩解了Fe2+釋放的下降。持續的Fe2+釋放不僅通過化學沉淀（以羥基鐵酸鹽為主）和生物磷吸收的協同作用促進了高效的磷去除，還促進了電活性微生物的富集和細胞外電子轉移，從而提高了發電量。這些發現表明，鐵碳復合陽極可以有效提升MFC的電化學性能和磷去除效率。
引言
磷是生物生長和農業的重要營養元素。然而，過度使用化肥和城市化進程不斷向水環境中引入大量磷（Zhao等人，2022a）。這種人為的磷負荷導致水體中磷酸鹽的過度積累，引發了富營養化并破壞了水生生態系統的功能（Qu等人，2025）。因此，開發高效且可持續的磷去除技術仍然是一個全球性的環境挑戰。
常見的磷去除技術包括物理化學方法和生物方法。物理化學方法（如化學沉淀和吸附）雖然具有較高的去除效率，但需要大量的化學試劑且運行成本較高（Fan等人，2025）。生物磷去除依賴于聚磷酸鹽積累菌（PAOs），并且對操作條件（如污泥停留時間）非常敏感，這通常限制了其長期穩定性（Ge等人，2015；Li等人，2024）。微生物燃料電池（MFCs）是一種新興的生物電化學系統，能夠同時實現廢水處理和能源回收，其中磷可作為可去除的污染物（Ye等人，2019）。厭氧陽極和好氧陰極有利于PAO介導的磷釋放和吸收，而電場可以增強微生物活性和去除效果（Zhang等人，2012）。陽極的性能是影響MFC運行效率和磷去除效果的關鍵因素之一。傳統的碳陽極具有導電性和生物相容性，但缺乏內在的磷去除能力；而金屬基陽極雖然可以通過離子釋放來沉淀磷酸鹽，但常常會迅速發生鈍化（Zahran，2024）。
鐵在MFC中的微生物代謝和細胞外電子轉移（EET）過程中起著重要作用。金屬鐵陽極具有較高的電導率，并且在運行過程中可以持續釋放Fe2+。溶解的Fe2+可以與磷酸鹽發生化學反應形成穩定的Fe–P沉淀物（Su等人，2021）。然而，金屬鐵的過度腐蝕和表面鈍化常常會導致電化學活性下降和MFC穩定性的降低（Wang等人，2022）。最近的研究探索了多種緩解金屬鐵鈍化的策略，包括金屬離子摻雜、表面涂層和表面改性，但這些方法通常涉及復雜的制備過程和高成本，其在生物電化學系統中的適用性尚未得到驗證（Diaz-Ufano等人，2025；Li等人，2025；Zheng等人，2025）。已知鐵氧化物可以促進異化鐵還原菌（IRB）的富集，這些細菌通過Fe2+/Fe3+循環促進EET（Hao等人，2024；Lv等人，2025）。然而，鐵氧化物的導電性有限，通常會限制電流的產生（Nosek等人，2023）。構建一種結合鐵氧化物、金屬鐵和碳基材優點的復合陽極似乎是一個有前景的策略。在這種復合陽極中，鐵氧化物可以促進IRB的富集和生物鐵循環，金屬鐵提供導電路徑和持續的Fe2+釋放，碳基材則提供結構支持和耐腐蝕性。盡管具有這些潛在優勢，但關于不同金屬鐵和鐵氧化物組合及比例如何調節IRB富集、鐵氧化還原循環、陽極鈍化以及發電量和磷去除效果協同提升的系統性研究仍然有限。
本研究使用高純度鐵片和Fe2O3顆粒制備了不同Fe/Fe2O3比例的鐵碳復合陽極，并對其對MFC性能的影響進行了系統評估。本研究的主要目標如下：（1）比較不同鐵碳復合陽極對MFC電化學性能和污染物去除效果的影響，確定最佳陽極配置；（2）通過結合Fe2+釋放模式和沉積物相特征分析不同陽極配置下的磷固定形式和去除途徑；（3）基于關鍵酶活性和微生物群落分析，闡明鐵碳復合陽極通過化學和生物過程的協同作用促進電子轉移和磷去除的機制。本研究為MFC陽極材料的優化以及發電量和磷去除效果的協同提升提供了理論和實踐指導。
鐵碳復合陽極的制備
鐵碳復合陽極采用高純度鐵片（純度99.9%，Wengheng，中國）和Fe2O3顆粒（純度99.9%，Lijia，中國）作為基材制備，所有陽極的總鐵含量嚴格控制在0.6克。碳氈（CF，尺寸4厘米×5厘米×0.02厘米，Haote，中國）作為基底。
使用鈦絲將高純度鐵片交叉固定在碳氈的一側，制備Fe-CF陽極。Fe2O3、炭黑和聚偏二乙烯基...
輸出電壓和內阻
不同陽極的MFC輸出電壓如圖2a所示。在穩定階段，CF和Fe2O3-CF組的平均電壓相似（分別為0.329伏和0.331伏），表明單獨使用Fe2O3并未顯著提高發電效率，可能是由于其低導電性限制了電子轉移（Li等人，2021）。隨著高純度鐵片比例的增加，平均電壓顯著上升。Fe-CF組達到了最高的電壓0.508伏。
結論
本研究成功制備了一系列鐵碳復合陽極，證明了調整Fe/Fe2O3比例可以協同提升MFC的發電效率和磷去除效果。當Fe/Fe2O3比例為2:1時，陽極表現出相對穩定的Fe2+釋放，支持了優化的微生物群落，并在整個實驗期間減少了電極鈍化的現象。這些條件促進了EAB的富集和EET的進行，從而...
CRediT作者貢獻聲明
王子杰：撰寫初稿、可視化處理、驗證、方法設計、數據分析、數據管理。楊曉莉：撰寫修訂稿、監督、資源協調、資金申請、概念構思。王若萱：撰寫初稿、實驗設計、數據分析。夏陽光：數據驗證、軟件應用、實驗實施。徐佳穎：實驗實施、資金申請。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益沖突或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（項目編號：51978148、42477014）和江蘇省研究生研究實踐創新計劃（項目編號：KYCX21_0120）的支持。
