《Bioresource Technology》：Long-term bioelectricity generation in microbial fuel cell exposed to perfluorooctanoic acid
編輯推薦：
微生物燃料電池在長期暴露于全氟辛酸（PFOA）污染下的電化學(xué)性能穩(wěn)定，10個月內(nèi)達(dá)到峰值電壓461.9 mV和電流密度14.5 mA/m2，同時檢測到PFOA部分降解產(chǎn)物PFHpA和PFHxA。微生物群落分析顯示Firmicutes和Desulfobacterota占主導(dǎo)，表明其在污染物降解和電子傳遞中的作用。
Kristina Joksimovi? | Marija Lje?evi? | Aleksandra ?era?anin | Natalija Petronijevi? | Marc Crampon | Fabienne Battaglia-Brunet | Christopher Bryan | Vladimir P. Be?koski
貝爾格萊德大學(xué) – 化學(xué)、技術(shù)與冶金研究所，塞爾維亞共和國國家研究所，11000 貝爾格萊德，塞爾維亞
摘要
微生物燃料電池（MFCs）的長期性能取決于其微生物群落，而這些微生物群落的組成對電子轉(zhuǎn)移和底物利用有著重要影響。環(huán)境污染物的存在可能導(dǎo)致微生物數(shù)量和生物多樣性的變化，從而影響MFCs的效率；然而，它們在環(huán)境壓力下的長期運(yùn)行穩(wěn)定性尚未得到充分研究。本研究評估了使用河床沉積物中的有機(jī)物作為能量、電子和碳源的MFCs在暴露于全氟辛酸（PFOA）條件下的長期性能。MFC-PFOA系統(tǒng)有效運(yùn)行了10個月，最大電壓達(dá)到461.9 mV，峰值電流密度為14.5 mA/m2，顯著優(yōu)于對照組電池。液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS/MS）分析顯示PFOA濃度降低了94.9%，并檢測到了全氟庚酸（PFHpA）和全氟己酸（PFHxA），表明在生物電化學(xué)系統(tǒng)中可能發(fā)生了部分轉(zhuǎn)化和/或重新分布過程。此外，細(xì)菌群落分析顯示微生物組成發(fā)生了變化，厚壁菌門（Firmicutes）和脫硫桿菌門（Desulfobacterota）成為優(yōu)勢菌群，這表明它們在電流生成和PFOA生物轉(zhuǎn)化中起作用。總體而言，這項(xiàng)工作證明了在存在全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）污染物的情況下仍能實(shí)現(xiàn)長期生物發(fā)電，同時揭示了PFOA在生物電化學(xué)條件下的部分衰減和組成變化，為受污染環(huán)境中能源回收的生物電化學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了寶貴的見解。
引言
自20世紀(jì)30年代末發(fā)現(xiàn)以來，PFAS在各種行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用（Brennan等人，2021年；Jia等人，2025年）。它們獨(dú)特的性質(zhì)，如化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及耐水性和耐油性，使其得到廣泛使用。PFAS是一類含有至少一個全氟甲基（?CF3）或亞甲基（?CF2–）的合成氟化化合物，具有不同數(shù)量的碳原子、氟化程度和其他化學(xué)基團(tuán)（Zhang等人，2022年；Che等人，2025年）。這些物質(zhì)在環(huán)境中幾乎無處不在，因?yàn)樗鼈儽粡V泛用于消防泡沫、不粘炊具和防污織物等工業(yè)和消費(fèi)品中（Panieri等人，2022年；Ruiz-Urigüen等人，2022年）。然而，人們越來越擔(dān)心它們對人類健康和野生動物的影響。這種擔(dān)憂主要是由于PFAS分子的化學(xué)和熱穩(wěn)定性使其難以降解，以及人類和野生動物在其生命周期中可能通過多種途徑接觸到這些物質(zhì)（Be?koski等人，2024年；Domingo，2025年）。
PFAS傾向于在生物體內(nèi)通過食物鏈積累和生物放大，從而存在于多種人體組織中，包括血液、牛奶和尿液（Panieri等人，2022年；Domingo，2025年）。它們還存在于多種環(huán)境介質(zhì)中，如空氣、地下水、淡水、海水、飲用水、沉積物和土壤（Zhang等人，2022年；Jia等人，2025年）。微生物燃料電池（MFCs）是一種有前景的技術(shù)，可以集成到污水處理廠（WWTPs）和人工濕地中，因?yàn)樗鼈兡軌蛲ㄟ^電活性微生物群落的活動同時去除有機(jī)污染物并回收能量。碳-氟（C–F）鍵的高鍵能（485 kJ/mol）可以在PFAS的生物降解過程中被利用，從而為微生物燃料電池提供顯著的能量（Li等人，2025年；Noori等人，2025年；Wang等人，2025年）。然而，在這種背景下實(shí)現(xiàn)有效的微生物性能仍然是一個主要挑戰(zhàn)。因此，未來的生物修復(fù)策略越來越需要了解微生物如何與PFAS相互作用，并分離和選擇能夠更有效地降解這些物質(zhì)的菌株（Qian等人，2024a）。在MFC系統(tǒng)中，微生物作為生物催化劑，氧化有機(jī)底物并將代謝產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到陽極，從而將底物降解與電力生成耦合起來。然后電子被轉(zhuǎn)移到陰極，那里的終端電子受體完成氧化還原過程（Noori等人，2025年；Chen等人，2026年）。在該系統(tǒng)中，PFAS的降解涉及陽極和陰極的生物過程，微生物群落利用有機(jī)物通過逐步縮短鏈的機(jī)制驅(qū)動PFAS的降解（Li等人，2025年；Noori等人，2025年）。PFAS的壓力會增加陽極處的微生物數(shù)量，如α-變形菌門（Alphaproteobacteria）、γ-變形菌門（Gammaproteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes），從而在人工濕地微生物燃料電池（CW-MFC）中提高了96%的PFOA處理效率（Noori等人，2025年；Ji等人，2020年；Shittu等人，2023年）。然而，這種壓力也會降低微生物多樣性，這對自然界的氮循環(huán)有害（Qian等人，2024a；Shittu等人，2023年）。這突顯了需要識別合適的細(xì)菌環(huán)境聯(lián)盟，以確保在污染物存在的情況下實(shí)現(xiàn)最高的電流生成和MFCs的壽命。
盡管人們對使用微生物電化學(xué)系統(tǒng)處理PFAS的興趣日益增加，但大多數(shù)研究僅在短時間（幾天到幾周，很少超過幾個月）內(nèi)評估去除效率。因此，關(guān)于長期電化學(xué)穩(wěn)定性、內(nèi)部電阻變化、微生物演替以及在持續(xù)暴露于PFAS壓力下的持續(xù)電流生成知之甚少。由于實(shí)際環(huán)境和基于沉積物的應(yīng)用需要在長期污染物暴露下進(jìn)行長時間運(yùn)行，因此了解系統(tǒng)在長時間內(nèi)的韌性至關(guān)重要。迄今為止，關(guān)于沉積物微生物燃料電池在連續(xù)暴露于PFAS數(shù)月以上的系統(tǒng)研究很少。
本研究的主要目的是評估在持續(xù)PFOA壓力下運(yùn)行的沉積物微生物燃料電池的長期電化學(xué)穩(wěn)定性和微生物適應(yīng)性。進(jìn)行了為期十個月的連續(xù)實(shí)驗(yàn)，以評估電壓生成、內(nèi)部電阻動態(tài)、功率密度演變以及在高PFOA暴露（50 ppm）下的微生物群落重組。雖然所應(yīng)用的PFOA濃度（50 ppm）超過了環(huán)境中通常檢測到的水平，但它對于受到嚴(yán)重影響的工業(yè)環(huán)境是相關(guān)的，因?yàn)樵趶U水中報告的PFAS濃度可高達(dá)約1700 ppm（Jia等人，2025年）。因此，選擇50 ppm來評估在嚴(yán)重PFAS壓力下的微生物和電化學(xué)響應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時，通過16S rRNA基因擴(kuò)增子測序?qū)ξ⑸锶郝溥M(jìn)行了表征，并持續(xù)監(jiān)測電化學(xué)性能。通過結(jié)合電化學(xué)監(jiān)測和微生物群落分析，本研究提供了迄今為止關(guān)于PFAS暴露下沉積物MFC性能的最長評估之一。
實(shí)驗(yàn)片段
接種液的制備
實(shí)驗(yàn)中使用的沉積物來自塞爾維亞貝爾格萊德薩瓦河和多瑙河的交匯處，之前已經(jīng)進(jìn)行了表征（Joksimovi?等人，2020年）。為了促進(jìn)參與電子傳輸?shù)谋镜亓蛩猁}還原微生物的生長，添加了1%（體積百分比）的硫酸鹽（Na?SO?）和碳酸鹽（Na?CO?）。此外，為了提高M(jìn)FC的性能，還用兩種菌群對沉積物進(jìn)行了生物強(qiáng)化：
單室MFC的電化學(xué)性能
MFC的性能在10個月內(nèi)被監(jiān)測和測量。在MFC-PFOA系統(tǒng)中，電壓值隨時間增加，第一個月為35.5 mV，到第七個月達(dá)到最大值146.1 mV，盡管實(shí)驗(yàn)在十個月后因MFC中的電流降至5 mA以下而終止。最大電壓是在10 MΩ電阻下測得的，達(dá)到461.9 mV。同時，MFC-C在第五個月記錄了最高的電壓263.1 mV
結(jié)論
本研究證明，MFCs在較高PFOA暴露下可以實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定性和效率。MFC-PFOA系統(tǒng)保持了十個月的穩(wěn)定運(yùn)行，最大電壓為461.9 mV，電流密度為14.5 mA/m2，功率密度為1.7 mW/m2。相比之下，對照組電池的穩(wěn)定性較短，電化學(xué)性能較低。PFOA的存在似乎支持了持續(xù)的微生物活動和電子釋放，從而實(shí)現(xiàn)了更高的電流
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Kristina Joksimovi?：撰寫 – 原稿、方法論、調(diào)查、正式分析、概念化。
Marija Lje?evi?：撰寫 – 審閱與編輯、驗(yàn)證、項(xiàng)目管理、方法論、正式分析、概念化。
Aleksandra ?era?anin：撰寫 – 審閱與編輯、調(diào)查、正式分析。
Natalija Petronijevi?：撰寫 – 原稿、調(diào)查、正式分析。
Marc Crampon：撰寫 – 審閱與編輯、驗(yàn)證。
Fabienne Battaglia-Brunet：撰寫 –
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的競爭性財務(wù)利益或個人關(guān)系。
致謝
本研究得到了歐盟“地平線歐洲”框架計劃（Twinning Western Balkans，項(xiàng)目編號101059534）以及塞爾維亞共和國科學(xué)技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新部（項(xiàng)目編號451-03-136/2025-03/200168和451-03-136/2025-03/200026）的支持。這項(xiàng)研究有助于實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)7：提供負(fù)擔(dān)得起的清潔能源，通過提高我們對環(huán)境污染物對清潔能源影響的理解。
