近日，市环科院与复旦大学在《Bioresource Technology》期刊上合作发表了题为“Simultaneous removal of chlorobenzene and Cr(VI)from groundwater using microbial fuel cell with low-cost Si modified ferrihydrite electrodes”的研究论文。该研究针对工业场地附近土壤和地下水中常见污染物氯苯和Cr(VI)的治理需求，开发了一种低成本、绿色的基于铁矿物修饰碳毡电极（CF-SiFh）的微生物燃料电池（MFC）体系，实现了阳极氯苯氧化降解和阴极Cr(VI)还原去除，同时该体系具有一定的产电性能（图1）。

图1.SiFh修饰碳毡电极主导MFC体系中氯苯和Cr(VI)的去除效果和机制


工业场地附近土壤和地下水中有机物氯苯和重金属Cr(VI)是常见的共存污染物，两者都有一定的致癌和致畸性，已有的物化修复技术或单一的微生物修复技术存在能耗高或效率低的缺陷，因此开发有效的低碳绿色修复技术符合当下“双碳”指导方针。MFC技术不仅可以实现污染物的去除，还具有一定的产电性能，是常见的绿色修复技术之一。然而，目前MFC中污染物的去除效率主要受限于高成本贵金属电极以及阳极有限的电子传递效率，且常用的电极材料如碳基材料的导电性能不佳且不利于微生物附着。铁矿物因其低成本、环境友好和较好的导电性被认为是改性碳基材料的良好选择之一。因此，本研究研发制备了含硅水铁矿修饰碳毡电极，并应用于后续MFC中阳极氯苯氧化降解和阴极Cr(VI)的还原去除过程和机制研究。

图2.CF-SiFh电极主导MFC中阳极生物膜的微生物群落结构在门水平（a）、类水平（b）和属水平（c）的变化

研究结果表明该SiFh修饰电极主导的MFC输出电压约为未修饰电极主导MFC的1.63倍，且氯苯降解效率提高了1.23倍，分析表明电极上SiFh的存在有利于阳极导电生物膜的形成并进一步提高电子传递效率。微生物群落分析表明Cupriavidus和Pandoraea在氯苯降解中占主导地位，而Lentimicrobiaceae和Rhodobacteraceae则是促进生物膜内直接和间接电子传递的关键菌属（图2）。而阴极Cr(VI)通过直接或间接过程被还原为Cr(OH)3或CrxFe1-x(OH)3共沉淀物（图1）。该研究提供了一种低碳绿色修复体系用于协同去除难降解有机物和重金属，可为污染土壤或地下水中类似复合污染的修复提供技术支撑，有助于低碳可持续修复技术的进一步开发。


该研究获国家自然科学基金（42207469）、中国博士后站中特别资助项目（2023T160429）以及2022年东方英才计划领军项目等支持。市环科院固土所博士后贡玉凤为该论文第一作者，固土所所长杨洁和复旦大学王梓萌教授为本文共同通讯作者。