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本研究采用自由落体进水方式（FF模式）探究红壤微生物燃料电池（RSMFC）处理酸性红73（AR73）染料的效果，发现FF模式通过增强气液传质（溶解氧提升44.7-45.8%）有效促进氧还原反应，降低阴极极化，使最大功率密度达2056 mW/m3，COD去除率提高至90.5%，同时GC-MS和微生物群落分析揭示了AR73降解途径及细菌（Anaeromyxobacter等）和真菌（Ganoderma等）群落重构机制。
王彦|傅欣月|刘航志|董莹莹|牛东东|王伟娜|何根和
中国江西省井冈山大学生命科学学院，红土地区功能生物学与污染控制重点实验室，吉安343009
摘要
偶氮染料的环境风险源于其顽固的性质和潜在的致癌性。微生物燃料电池（MFCs）作为一种可持续技术，能够同时处理废水并产生可再生能源电力，但其效率受到传质限制、电子回收率低以及微生物群落复杂反应的影响。本研究评估了自由落体进水（FF）模式对处理二偶氮染料酸红73（AR73）的红土MFCs的影响。与传统运行方式相比，FF模式提高了污染物去除率和生物电化学性能。进水滴落的流体动力效应使阴极溶解氧增加了44.7–45.8%，从而促进了氧的还原。这些物理化学变化减轻了阴极极化，使得在含有染料的情况下最大功率密度达到了2056 mW/m3。库仑效率也得到了提高，表明从有机底物中回收电子的效率更高。GC–MS分析确定了FF和非FF模式下的主要降解产物，揭示了AR73的降解途径。微生物群落分析显示，FF模式改变了细菌和真菌群落的结构。电活性菌属如Anaeromyxobacter、Dechloromonas、Citrifermentans和Caulobacter得到富集，同时还有有机降解菌如Xanthobacter、Methyloversatilis、Rhodoplanes和Aquabacterium>也被发现。以Ascomycota和Basidiomycota为主的真菌群落也表现出功能变化，FF模式促进了包括Ganoderma、Nigrospora和Sterigmatomyces在内的降解菌类的数量增加。总体而言，FF模式提供了一种流体动力学策略，增强了能量回收和污染物去除效果。这些发现表明，增强流体动力学强度可以提高生物电化学系统中废水处理的可持续性。
引言
合成染料在纺织和化妆品等行业的广泛应用导致大量含染料的废水排放到自然水系统中。特别是纺织染色和整理过程占工业水污染的约17–20%（Islam等人，2025年）。在各种染料中，酸红73（也称为酸红GR，AR73）作为一种代表性的二偶氮染料，由于其复杂的芳香结构、高化学稳定性和显著的抗生物降解性而特别令人担忧（Lin等人，2023年）。这些特性使得AR73及其相关化合物在水环境中持续存在，对水生生物和人类构成了重大的生态和公共卫生风险，包括致癌性、致突变性和急性毒性（Franco等人，2018年）。传统的废水处理方法（如物理吸附和化学氧化）通常无法完全去除这类顽固污染物，尤其是在高浓度或成分复杂的工业废水中（Karthika等人，2024年）。这一紧迫挑战凸显了开发可持续、成本效益高且能够同时实现高效染料降解和能量回收的集成技术的全球需求。
微生物燃料电池（MFCs）利用电活性微生物的代谢活动来同时降解有机污染物并产生电力，已成为一种可持续的废水处理和能量回收平台（Yin等人，2024年）。最近的研究表明，MFCs适用于降解顽固污染物，包括偶氮染料（Chakma等人，2025年）。然而，传统的MFC配置通常依赖于合成介质或纯微生物培养物，这限制了其在实际应用中的可行性（Thulasinathan等人，2022年）。在这种情况下，基于土壤的MFCs（SMFCs）利用天然土壤作为电极基底和微生物接种源，提供了一个有吸引力的替代方案。这些系统的特点是建造和运营成本低廉、具有内在的微生物多样性，并能够代谢广泛的有机和无机底物（Toczy?owska-Mamińska等人，2025年）。我们之前的工作证明了使用红土（热带和亚热带地区常见的土壤类型）作为SMFCs阳极基底的可行性。这种配置有效处理了多偶氮染料废水，同时产生了电力，功率密度达到了584.82 mW/m3（Wang等人，2025年）。红土覆盖面积约为6.4 × 10?公顷，占全球陆地表面的约45%，富含氧化铁、粘土矿物和多样的本土微生物群落（Wang和Zhang，2016年）。这些特性赋予红土高的氧化还原活性，促进了电子转移过程，使其特别适合生物电化学应用。与其他土壤类型（如沼泽-水生土壤）相比，红土含有更高浓度的电子受体如Fe(III)，提高了导电性并支持微生物定植——这些因素共同提高了SMFC系统中的污染物降解效率和能量输出（Wang等人，2016年）。
尽管红土微生物燃料电池（RSMFCs）具有固有的优势，但它们在处理含偶氮染料废水时的净化和发电性能仍需进一步探索，尤其是在操作参数方面。其中，进水模式的影响尚未得到充分研究。我们假设实施自由落体进水——模拟水滴落下的条件——可能增强传质、氧气渗透和微生物群落的发展，从而提高污染物降解和发电效果。先前的研究表明，氧气转移在决定污染物命运中起着关键作用（Liu，2008年）。Yang等人表明，MFCs中的阳极生物膜形成和生物电化学性能对氧气可用性非常敏感（Yang等人，2019年）。由于氧气可以作为电子受体，溶解氧（DO）浓度的波动会显著影响系统性能。Guo等人报告称，阴极DO水平的变化驱动了优势微生物类群的更替——在缺氧条件下为Pirellula（1.5 mg/L DO），在正常条件下为Thermomonas，在富氧条件下为Azospira（4.4 mg/L DO）（Guo等人，2019年）。同时，Klyuzhin等人进一步指出，当液滴落在液体表面时，通常会立即混合；然而，撞击会产生细小液滴，这些液滴会在液面上快速移动。此外，空气-水界面对体积变化非常敏感（Klyuzhin等人，2010年）。这种动态表明，液滴自由落入水中可能会通过增强空气-水交换来改变DO浓度——这种现象对氧气转移、微生物群落演化和整体MFC性能的影响尚未得到充分探索。
在这里，我们提出了一种使用自由落体进水的红土微生物燃料电池（FF-RSMFC）同时降解AR73和发电的新策略。通过利用重力进水条件下的天然红土微生物群的电活性潜力，我们旨在展示以分散和可持续的方式处理含染料废水的可行性。系统性能从废水净化效率、生物电力生产和微生物群落结构演变等方面进行了系统评估，为设计结合污染物修复和可再生能源生成的多功能生物电化学系统提供了新的见解。
系统构建和操作
RSMFC系统的构建方法借鉴了我们之前的研究（Wang等人，2025年）。石墨毡电极（北京京龙炭石墨厂，中国）被切割成10 × 10厘米的空气阴极和2.5 × 2.5厘米、厚度为2厘米的阳极，先用0.1 M HNO?预处理（Qin等人，2021年），然后冲洗，并用304不锈钢网（5目，直径0.6毫米）包裹作为电流收集器（见补充材料）。电极被组装在一个有机玻璃反应器中
废水净化效果
评估了自由落体进水红土微生物燃料电池（FF-RSMFC）系统的废水净化效果，包括染料去除效率和COD降低情况。自由落体进水（FF）模式在无染料和含染料条件下均提高了RSMFC的COD去除效率（图1a）。在没有酸红73（AR73）的情况下，COD去除率从P1的86.9%提高到P2-FF的90.5%。当AR73存在于进水中时，COD去除率从P3的84.3%进一步提高
结论
本研究表明，在RSMFCs中实施自由落体进水（FF）模式在无染料和含染料条件下均提高了废水净化和生物电力生成效果。液滴冲击增强了气-液传质，使阴极溶解氧增加了44.7–45.8%，这可能促进了氧的还原反应。这些效应有助于更有效地降解酸红73（AR73），并间接提高了整体出水质量，验证了FF模式的有效性
CRediT作者贡献声明
王彦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件，资金获取，数据管理，概念化。傅欣月：方法学。刘航志：软件。董莹莹：软件。牛东东：实验研究。王伟娜：实验研究。何根和：验证，监督，资金获取。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
