水生植物-沉積物微生物燃料電池研究進(jìn)展

摘要：水生植物-沉積物微生物燃料電池是將水生植物引入沉積物環(huán)境體系中，利用水生植物光合作用、呼吸作用及微生物新陳代謝作用，將有機(jī)污染物中蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)“污水凈化”和“能量回收”的雙重作用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。詳細(xì)介紹了水生植物-沉積物微生物燃料電池的產(chǎn)電原理，闡述了電極、外電阻、微生物、電子中介體、水生植物等電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及溫度、溶解氧濃度、沉積物中有機(jī)物等電池外部環(huán)境對其產(chǎn)電和去污的影響，同時(shí)對水生植物-沉積物微生物燃料電池面臨的挑戰(zhàn)、發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，以期為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：水生植物-沉積物微生物燃料電池; 產(chǎn)電原理; 電池結(jié)構(gòu); 外部環(huán)境

中圖分類號：X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.16735862.2023.04.016

Research progress on aquatic plant-sediment microbial fuel cells

PAN Jing， FAN Linlin， WANG Shiyao， LI Ziqi， CHEN Jingna， JIANG Zefang， WANG Lei

（College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：Aquatic plants-sediment microbial fuel cells（AP-SMFCs） introduce the aquatic plants into the sediment environment system which use aquatic plant photosynthesis， respiration and microbial metabolism to convert chemical energy into electrical energy. It can realize the dual role of “sewage purification” and “energy recovery”， with significant economic and environmental benefits. This paper describes the power generation principle of AP-SMFCs. The effects of internal structure of batteries， external environments and organic matter in sediments on its electricity generation and decontamination are summarized in detail. The challenges and development trends of AP-SMFCs are also discussed to provide theoretical reference for the practical application of this technology.

Key words：aquatic plants-sediment microbial fuel cells; principle of electricity generation; battery structure; external environment

隨著人口數(shù)量的增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國水環(huán)境污染和能源短缺問題日趨嚴(yán)重，尋找先進(jìn)的污水處理工藝及新的可再生能源已成為人們研究的重點(diǎn)。微生物燃料電池（microbial fuel cells， MFCs）是一種依靠微生物的新陳代謝作用將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置［1］。微生物燃料電池主要由陰極室、陽極室、質(zhì)子交換膜及外電路構(gòu)成。在陽極室內(nèi)，微生物將底物氧化后產(chǎn)生質(zhì)子、電子及CO2等氣體，質(zhì)子借助質(zhì)子交換膜達(dá)到陰極，電子則由外電路到達(dá)陰極;在陰極室內(nèi)，電子受體同電子和質(zhì)子在陰極上結(jié)合后被還原生成水。微生物燃料電池的燃料既可以是氯化鈉、乙酸鈉等物質(zhì)，也可以是有機(jī)污染物。當(dāng)以有機(jī)污染物為燃料時(shí)，電池可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電和去污雙重功能，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保價(jià)值。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，質(zhì)子交換膜的成本較高，阻礙了微生物燃料電池的發(fā)展。

沉積物微生物燃料電池（sediment microbial fuel cells， SMFCs）是一種特殊結(jié)構(gòu)的微生物燃料電池，其無需昂貴的質(zhì)子交換膜，可利用沉積物與上覆水之間的電勢梯度，在電路閉合時(shí)，將污染物質(zhì)進(jìn)行氧化分解［2］。沉積物微生物燃料電池最初被稱為深海微生物燃料電池，主要運(yùn)用于深海環(huán)境監(jiān)測與調(diào)查，如無線傳感器、聲吶監(jiān)測等設(shè)備的供電。近幾年，由于其無污染、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)勢，引起了研究者的廣泛關(guān)注，眾多研究者就其產(chǎn)電性能和污水處理效果進(jìn)行了研究。當(dāng)前，有關(guān)沉積物微生物燃料電池的大部分研究仍停留在理論研究層面和實(shí)驗(yàn)室模擬階段，在實(shí)際應(yīng)用中，電池的產(chǎn)電功率和去污效果仍遠(yuǎn)低于理論值。因此，亟待尋找更好的工藝聯(lián)合提高電池的性能。

水生植物-沉積物微生物燃料電池（AP-SMFCs）是在傳統(tǒng)的沉積物微生物燃料電池的基礎(chǔ)上進(jìn)一步創(chuàng)新，隨著沉水、挺水、浮水等植物的引入，電池的產(chǎn)電功率和去污效果得到了顯著增強(qiáng)。水生植物作為水體生態(tài)修復(fù)必不可少的成分，具有較強(qiáng)的水體凈化功能。在電池內(nèi)部種植水生植物，一方面，能夠通過水生植物的吸收作用促進(jìn)水體中氮、磷等元素的去除;另一方面，可以依靠水生植物的光合作用提高水體中溶解氧的量，有利于根區(qū)好氧型微生物的快速生長和繁殖。

目前，國外已有眾多的研究將水生植物與沉積物微生物燃料電池耦合技術(shù)應(yīng)用于水體修復(fù)和能源回收，然而，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究卻較為缺乏。本文綜述了水生植物-沉積物微生物燃料電池在產(chǎn)電性能和污水修復(fù)等方面的研究進(jìn)展，旨在為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。

1AP-SMFCs工作原理

水生植物-沉積物微生物燃料電池耦合技術(shù)的工作原理同傳統(tǒng)沉積物微生物燃料電池相似（圖1），不同的是，其將太陽能引入到了化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換之中。Reimers等［3］在2001年首次研究了沉積物微生物燃料電池的產(chǎn)電性能，其將陽極埋在厭氧底泥中，陰極懸于上覆水中，陰、陽極之間借助導(dǎo)線連接，外接電阻，電路閉合后獲得了低水平電流。2010年，Strik等［4］率先提出了植物微生物燃料電池的概念，發(fā)現(xiàn)植物光合作用產(chǎn)生的根際分泌物可以為陽極室提供有機(jī)質(zhì)燃料，同時(shí)植物根際的產(chǎn)電微生物能夠促進(jìn)根際分泌物氧化分解，產(chǎn)生電能。

在電池陽極附近，沉積物中的有機(jī)污染物被厭氧微生物催化氧化，產(chǎn)生氫離子、電子及二氧化碳等氣體，氫離子通過泥水交界面到達(dá)陰極，電子由中介體傳遞到陽極，再經(jīng)外電路到達(dá)陰極。在陰極上，氧氣、硝酸鹽或亞硝酸鹽等作為電子受體同質(zhì)子和電子結(jié)合被還原。在電池運(yùn)行過程中，隨著陰、陽極之間電子不斷地生成、傳遞和消耗，加速了沉積物中有機(jī)污染物的去除，并產(chǎn)生了電流，其中電池內(nèi)部有機(jī)污染物的氧化速率越快，產(chǎn)生的電流越大［5］。電池陰、陽極主要反應(yīng)如下：

陽極： （CH2O）n+nH2OnCO2+4ne-+4n

陰極： O2+4e-+4H+=2H2O

2制約AP-SMFCs性能的影響因素的研究進(jìn)展

AP-SMFCs至今尚未脫離實(shí)驗(yàn)室模擬階段，將其推廣應(yīng)用到實(shí)際中仍受各種因素的制約。AP-SMFCs的產(chǎn)電和去除污染物效能主要受電池結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境因素的制約。其中，電池結(jié)構(gòu)因素包括電極、外電阻、產(chǎn)電微生物、電子中介體、水生植物等;外部環(huán)境因素包括溫度、溶解氧濃度及沉積物中有機(jī)污染物等。

2.1電池結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

2.1.1電極

2.1.1.1陽極

AP-SMFCs陽極既是產(chǎn)電微生物附著的載體，也起著傳遞電子的作用。陽極材料的選擇需要從2個(gè)方面考慮。一方面，要具有較高的導(dǎo)電性利于電子傳遞;另一方面，需要擁有較大的比表面、較高的孔隙率、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)及良好的生物相容性以便于產(chǎn)電微生物附著［6］。陽極材料常選用比表面積、孔隙率較大且廉價(jià)易得的碳材料［7］，不同碳材料的物理、化學(xué)性質(zhì)不盡相同，導(dǎo)電和去污效果也存在差異。Scott等［8］通過比較石墨、碳紙、泡沫碳、玻璃碳、碳布作為陽極對電池產(chǎn)電性能的影響，發(fā)現(xiàn)泡沫碳作為陽極時(shí)可獲得最大的輸出功率55mW·m-2。

碳材料雖是較理想的陽極材料，但仍存在容易失去電子的問題，為提高陽極的電子傳遞效率，研究者［9］對陽極表面進(jìn)行了酸處理、熱處理、酸熱復(fù)合處理、電化學(xué)處理及氨處理。Logan等［10］研究發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)的熱處理和酸處理相比，酸熱復(fù)合處理可以顯著增強(qiáng)碳材料的碳氮比，其最大功率密度可達(dá)1370mW·m-2。楊志偉等［11］在500℃， 650℃， 800℃的溫度下利用氨處理石墨氈陽極，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陽極的電化學(xué)活性和微生物活性都有了明顯提高。

為進(jìn)一步提高電池性能，研究者們還利用碳納米材料、金屬及金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物等修飾陽極。碳納米材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較大的比表面積及良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。Fu等［12］采用碳納米管修飾陽極，發(fā)現(xiàn)與未修飾的陽極相比，修飾后電子傳遞效率增加了4倍。金屬及金屬氧化物修飾陽極可提高陽極的耐磨性、導(dǎo)電性、生物相容性和動(dòng)力學(xué)活性。Fu等［13］在石墨陽極上涂抹鐵及鐵氧化物催化劑后，電池輸出功率密度增加為對照組的17.4倍。Lowy等［14］利用含有Ni2+和Fe3O4的碳糊修飾石墨陽極，研究顯示電流密度增加了5倍，動(dòng)力學(xué)活性提高了1.5倍以上。此外，導(dǎo)電聚合物也因優(yōu)異的導(dǎo)電性常被用于修飾陽極。Fu等［12］通過聚苯胺等導(dǎo)電聚合物修飾碳?xì)株枠O，發(fā)現(xiàn)電池的電流密度提高了2倍。

2.1.1.2陰極

AP-SMFCs陰極發(fā)生氧還原反應(yīng)，電子受體和溶解氧是影響電池性能的主要因素。通過優(yōu)選和修飾陰極材料能夠顯著增強(qiáng)陰極上的電子傳遞效率，在陰極上加入抑菌劑可有效防止異養(yǎng)菌生物膜搶占陰極部位的溶解氧［15］。

碳材料雖也被廣泛應(yīng)用于陰極，但由于碳材料不具有催化氧還原的能力，導(dǎo)致電子傳遞效率較低。有研究者認(rèn)為鉑作為陰極催化劑，催化效果優(yōu)異，但當(dāng)用鉑代替碳材料作為陰極時(shí)，支撐體的導(dǎo)電性能卻并不好，電池輸出功率較低，此外，鉑的價(jià)格也比較昂貴［5］，因而研究者們開始尋找廉價(jià)易得的陰極修飾材料。有研究者發(fā)現(xiàn)在碳材料上負(fù)載過度金屬氧化物、碳納米材料、導(dǎo)電聚合物等材料可降低電子在陰極上傳遞的阻力，提高其輸出功率［16］。Burkitt等［17］將氧化錳和鐵酞菁的復(fù)合物作為陰極催化劑時(shí)，電池輸出功率可達(dá)143mW·m-2，優(yōu)于單獨(dú)使用的金屬催化劑。

將抑菌劑添加到陰極上可以保證陰極部位獲得更多的溶解氧。Dai等［18］將高溫碳化處理的碳、氮、鐵、銀混合材料作為陰極催化劑和抑菌劑，輸出功率密度可達(dá)1791mW·m-2，該處理既利用金屬和氮、氧集團(tuán)的協(xié)同作用，抑制了陰極生物膜的生成，又通過金屬修飾增加了電子受體。此外，關(guān)于抑菌劑加入產(chǎn)生的副作用，尚不明確。

2.1.1.3電極構(gòu)造

除了陰/陽極材料以外，電極構(gòu)造也影響著電池的性能，如電極位置、電極間距、電極尺寸、電極連接方式等。

沉積物和上覆水中陰、陽極的位置影響著污染物的去除效果和產(chǎn)電功率。 An等［19］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示， 陽極在沉積物中掩埋得越深， 電池的功率密度越大。 在一定掩埋范圍內(nèi)， 陽極埋得越深， 越能保證陽極部位的厭氧環(huán)境， 從而有利于產(chǎn)電菌產(chǎn)生更多電子， 進(jìn)而提高污染物的去除效率和電流密度［20］。 Hong等［21］研究發(fā)現(xiàn)， 電池的電流密度隨著氧濃度增加而增加。 上覆水中不同垂直位置的氧濃度不同， 隨著水深度增加氧濃度會(huì)逐漸減小， 為使陰極部位獲得更多的溶解氧， 需要控制好陰極在上覆水中的位置。

電池內(nèi)阻的變化受電極間距的影響，且二者變化成正比例關(guān)系，過大的電極間距會(huì)使得電池內(nèi)阻過大，因而輸出功率較低。Hong等［21］通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電極間距為12cm時(shí)與電極間距為100cm時(shí)相比，前者電流密度是后者的5倍以上。因此，在陰極可獲取充足溶解氧的前提下，為增加電流密度，電極間距不宜設(shè)置得過大。

電極尺寸也是決定電池功率大小的重要因素。在電極幾何形狀相同的情況下，陰、陽極表面積之比影響著電池的性質(zhì)。Yang等［22］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，陰極與陽極的表面積之比為1∶1.3～1∶1時(shí)，電池的輸出功率最大。另外，改變電極的連接方式，如采用雙陽極或多個(gè)陽極串聯(lián)成一個(gè)大陽極的方式，也可以提高電池的電流密度，增強(qiáng)水體中有機(jī)污染物的去除效果［23］。

2.1.2外電阻

外電阻是電路中的重要組成成分，電池中外電路的電子傳遞及陽極電位受外電阻的影響。當(dāng)外電阻大小接近內(nèi)阻時(shí)，電池的輸出功率最大;當(dāng)外電阻較高時(shí)，電子到達(dá)陰極的阻力較大;當(dāng)外電阻較低時(shí)，陽極的電子更容易通過外電路傳遞到陰極，使得電子供體被氧化的速率提高，加快了沉積物中有機(jī)污染物的降解，從而電池輸出的電流密度增加［2425］。Song等［26］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外電阻過低時(shí)，陽極電位較高，在保持陰極電位不變的情況下，電池的電動(dòng)勢會(huì)顯著降低，電池輸出的最大功率密度較低。榮宏偉等［27］研究外電阻大小對系統(tǒng)中陰、陽極附近溶液電導(dǎo)率的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)外電阻大小與陰、陽極附近溶液電導(dǎo)率差的大小成反比關(guān)系。

2.1.3微生物

系統(tǒng)中的微生物能夠氧化有機(jī)污染物，并將反應(yīng)后產(chǎn)生的電子傳遞到陽極上。陽極周圍的產(chǎn)電微生物在系統(tǒng)產(chǎn)電過程中起關(guān)鍵性作用，當(dāng)前，陽極已分離出來的產(chǎn)電微生物中豐度最高的是變形菌門的細(xì)菌，其中δ變形菌綱占絕大多數(shù)，泥土桿菌科在δ變形菌綱中所占比例最高。研究者發(fā)現(xiàn)以不同水體中沉積物為基質(zhì)構(gòu)建的電池系統(tǒng)，陽極附近泥土桿菌科中的優(yōu)勢菌屬也不相同［2829］。鐘傳強(qiáng)和胡江靈［30］利用系統(tǒng)對河口底泥進(jìn)行修復(fù)研究，結(jié)果顯示陽極附近富集了較多的脫硫球莖菌屬。莊賢泉等［31］發(fā)現(xiàn)向陽極附近的沉積物中加入優(yōu)勢菌，可以明顯提高污染物的去除效果，并能有效緩解水體發(fā)臭的現(xiàn)象。

2.1.4電子中介體

電池中添加電子中介體能夠提高電子的傳遞效率。微生物代謝產(chǎn)生的電子傳遞到陽極的途徑通常有2種，一種是依靠微生物自身物質(zhì)及其分泌物傳遞電子，另一種是借助外加電子中介體將電子傳遞到電極上。有些吸附在電極上的微生物，可以通過自身細(xì)胞膜上的細(xì)胞色素將電子傳遞到細(xì)胞膜外的電極上，部分未直接接觸電極的微生物能夠利用自身分泌的溶解性物質(zhì)作為電子中介體傳遞電子［32］。研究者們常利用溶解性和穩(wěn)定性較好的中性紅、鐵氰化鉀、吩嗪類、硫瑾類等物質(zhì)作為外加電子中介體，間接轉(zhuǎn)移電子，提高電池產(chǎn)電性能［5］。此外，研究者們還利用從天然物質(zhì)中萃取出的電化學(xué)活性物質(zhì)作為電子中介體，許斌［33］從藍(lán)莓干、黑枸杞和蝶豆花3種物質(zhì)中萃取出花青素作為電子中介體，顯著增強(qiáng)了電池的產(chǎn)電效率。

2.1.5水生植物

水生植物與沉積物微生物燃料電池耦合系統(tǒng)具有良好的污水凈化效果和產(chǎn)電性能。水生植物種植在系統(tǒng)中不同位置發(fā)揮的作用不同。當(dāng)水生植物種植在電池的陽極附近時(shí)，主要作用體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面，植物可通過根區(qū)直接吸收沉積物中部分有機(jī)污染物;另一方面，植物根區(qū)分泌物能夠?yàn)殛枠O提供燃料。當(dāng)水生植物種植在電池的陰極時(shí)，可借助植物的光合作用使系統(tǒng)上覆水中獲得更多的溶解氧。

水生植物對維持和恢復(fù)水體生態(tài)平衡起著重要的作用［34］，其按生活方式可分為沉水植物、挺水植物、浮水植物及濕生植物等。在沉水植物方面，尹非閑［35］在沉積物微生物燃料電池內(nèi)種植沉水植物黑藻，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對總磷的去除率提高了10%。Oon等［36］在電池的陰極附近種植伊樂藻，使得系統(tǒng)內(nèi)部氨氮的去除率提高了17%，同時(shí)顯著促進(jìn)了電池產(chǎn)電。在挺水植物方面，Yan等［37］發(fā)現(xiàn)在沉積物微生物燃料電池中加入菖蒲后，菖蒲根部分泌物有利于沉積物中陽極厭氧區(qū)的形成，從而加速了沉積物中多環(huán)芳烴的去除速率。在浮水植物方面，Hubenova和Mitov ［38］在系統(tǒng)中引入浮萍后，發(fā)現(xiàn)光照和溫度制約著電池的性能，表明電池電能的產(chǎn)生主要受光合作用的影響。在濕生植物方面，Schamphelaire等［39］為提高電池的輸出功率，將系統(tǒng)陽極置于水稻根部附近，加快了陽極的反應(yīng)速率，使電池的輸出功率提高了7倍。

2.1.6小結(jié)

當(dāng)前，研究電池結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外文獻(xiàn)中，就電極結(jié)構(gòu)、外電阻、微生物等內(nèi)容展開研究的頗多，有關(guān)電子中介體、水生植物等方面的研究較少。未來加強(qiáng)電子中介體的研究，將有助于選擇合適的電子中介體，增強(qiáng)電子傳遞效率，進(jìn)而提高電池輸出功率。此外，將水生植物引入到系統(tǒng)中雖能夠顯著改善系統(tǒng)功能，但在不同污染程度的水體環(huán)境中，輔以種植何種水生植物更有利于系統(tǒng)除污和產(chǎn)電，仍需進(jìn)一步研究。

2.2環(huán)境因素的研究進(jìn)展

2.2.1溫度

溫度是影響電池性能的關(guān)鍵外部因素。植物-沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)電微生物的新陳代謝速率會(huì)受溫度變化的影響，不同溫度下產(chǎn)電微生物的活性不同，對有機(jī)污染物分解的速率也不同。同時(shí)，溫度也影響著系統(tǒng)內(nèi)水生植物的生長及上覆水中溶解氧的濃度。因此，適宜的溫度是系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。Liu等［40］的研究表明，溫度由20℃升高到32℃時(shí)，電池最大輸出功率僅提高了約9%，所以在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度對電池性能的影響不大。Hong等［41］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池系統(tǒng)中溫度較低時(shí)，產(chǎn)電微生物的活性也較低，在冬季電池電流輸出會(huì)明顯低于春夏季，并且當(dāng)冬季溫度低于15℃時(shí)，其輸出電流只有夏季的一半左右。

2.2.2溶解氧濃度

氧氣作為電池陰極的電子受體，影響著陰極的反應(yīng)速率，上覆水中充足的溶解氧是保證電池陰極氧還原反應(yīng)順利進(jìn)行的必要條件。水中溶解氧濃度并不是一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，在一天中的不同時(shí)間段溶解氧的濃度不同，下午溶解氧濃度通常高于上午和晚上。另外，當(dāng)陰極位于上覆水中的不同位置時(shí)，所獲得的溶解氧也不同，為使陰極獲得更多的溶解氧，其位置常選擇在靠近水面處。

在結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部溶解氧動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上，研究者們?yōu)楦纳粕细菜腥芙庋醪蛔愕臓顩r，常在陰極附近種植高效光合的水生植物，如小球藻、伊樂藻等［42］。此外，在引入水生植物的基礎(chǔ)上，采用曝氣、攪拌等輔助方式也能夠顯著增加上覆水中溶解氧的含量，同時(shí)提高污染物的去除效率［43］。

2.2.3沉積物中有機(jī)物

沉積物中有機(jī)物的濃度和種類是制約系統(tǒng)長期供電的主要外部因素。系統(tǒng)中產(chǎn)電微生物代謝活動(dòng)需要適量的營養(yǎng)物質(zhì)，其活性和分布受沉積物中有機(jī)物含量的影響較大。為使系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運(yùn)行，既可以選擇有機(jī)物較為充足的地方作為底物的供應(yīng)位點(diǎn)，也可以向沉積物中投加乙酸鈉、葡萄糖、乳酸等外源物質(zhì)以提高碳氮含量［4445］，從而使電極附近富集更多的產(chǎn)電微生物，進(jìn)而提高系統(tǒng)中電子的傳遞效率，增加電池輸出功率。

電池系統(tǒng)中電極附近的有機(jī)物含量通常下降較快，而距離電極較遠(yuǎn)處的有機(jī)物含量變化不大。Nielsen等［46］研究發(fā)現(xiàn)，通過泵對沉積物進(jìn)行連續(xù)抽吸的方式來維持電極附近微生物對底物的需求，可以顯著提高電池的輸出功率，但是外加動(dòng)力是否經(jīng)濟(jì)可行仍在研究中。另外，水生植物和沉積物微生物燃料電池耦合后，植物通過根系沉淀的方式也能夠長久維系系統(tǒng)對底物的需求。

2.2.4小結(jié)

溫度、溶解氧及沉積物中有機(jī)物等外部變量對系統(tǒng)功能具有較大的影響。適宜溫度、充足的溶解氧和有機(jī)物，將有利于保持電池輸出功率的穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)室模擬研究階段，外部環(huán)境尚可控制在合適的范圍之內(nèi)，而在實(shí)際應(yīng)用中，外部因素變動(dòng)較大，如何最大限度降低外部因素的干擾仍亟待研究。

3總結(jié)及展望

水生植物-沉積物微生物燃料電池耦合技術(shù)作為一種新型原位生物修復(fù)技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，有良好的應(yīng)用前景。當(dāng)前，雖然研究者們通過優(yōu)化電極構(gòu)造和降低環(huán)境因素影響等方法提高了AP-SMFCs的產(chǎn)電性能和去污效果，但是AP-SMFCs仍主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，要將其推廣應(yīng)用到實(shí)際生活中尚存在挑戰(zhàn)，還需對其進(jìn)行不斷優(yōu)化和改進(jìn)。

未來可以從以下幾個(gè)方面對AP-SMFCs進(jìn)行深入研究，使AP-SMFCs擁有更加廣闊的發(fā)展空間，讓有機(jī)物污染物成功實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化進(jìn)而服務(wù)人類。

1） 研究生態(tài)工程與AP-SMFCs的協(xié)同作用，強(qiáng)化AP-SMFCs對河流治理的研究，使其應(yīng)用于河流污染修復(fù);

2） 開發(fā)新型的電池結(jié)構(gòu)，尋找生物相容性、導(dǎo)電性好且成本低的電極材料及合適的電子中介體，以提高電子傳導(dǎo)能力，使電池輸出功率保持穩(wěn)定和持久;

3） 加強(qiáng)系統(tǒng)中產(chǎn)電微生物的研究，進(jìn)一步探究產(chǎn)電微生物活性、功能特征與有機(jī)污染物降解之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而篩選出高效的產(chǎn)電微生物，并植入到電極表面。

致謝感謝沈陽師范大學(xué)重大孵化項(xiàng)目（ZD201904）、沈陽師范大學(xué)第九批教育教學(xué)改革項(xiàng)目（JG2021-YB099）的支持。

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