通过电迁移作用以及生态系统的协同作用，在沉积物微生物燃料电池中实现硼的传输与修复效果

《Electrochimica Acta》：Boron transport and remediation performance in sediment microbial fuel cells via electromigration and synergistic ecosystem interactions

本研究开发了一种集成微生物燃料电池（SMFC）系统与浮萍（Lemna gibba）及磁性壳聚糖-EDTA复合珠的协同体系，通过电迁移、植物吸收和特异性吸附显著提升硼污染沉积物的修复效率，最大功率密度达3.72 mW/m2，硼去除效率44.9%，化学需氧量（COD）去除81.4%，并有效降低沉积物Geo-accumulation指数至中度污染水平。

　　

阿尼尔·雅卡尔（An?l YAKAR）|奥努尔·坎·图尔克（Onur Can TüRKER）|努拉伊·伊尔马兹·巴拉恩（Nuray YILMAZ BARAN）|塔拉特·巴拉恩（Talat BARAN）

土耳其阿克萨赖大学（Aksaray University）科学技术应用与研究中心，68100，阿克萨赖，土耳其

摘要

水生沉积物中的硼污染带来了严重的生态风险，因此需要开发既可持续又节能的修复策略。本研究开发了一种集成沉积物微生物燃料电池（SMFC）系统，该系统结合了Lemna gibba植物和磁性壳聚糖-EDTA（Ch-Mag-Ed）复合珠，通过电迁移、植物吸收和特异性吸附来增强硼的去除效果。这种混合系统表现出优异的性能，最大功率密度达到3.72 mW m?2，沉积物中的硼去除效率为44.9%，化学需氧量（COD）去除率为81.4%。研究表明，电迁移是硼从沉积物转移到上层水的主要驱动力，硼随后被漂浮的阴极组件有效去除。Ch-Mag-Ed复合珠具有双重关键作用：作为化学缓冲剂快速吸附迁移的硼，并减轻植物毒性，从而显著提高了L. gibba的相对生长速率。此外，该系统成功将沉积物的地质累积指数（Igeo）从高污染水平降低到中等污染水平。这种协同方法证实，将生物电化学系统与吸附辅助的根际过滤结合使用，为修复金属污染物污染的沉积物提供了一种可靠且能源效益高的解决方案。

引言

硼（B）是一种对生物体的正常生长和发育至关重要的类金属元素，在细胞代谢、膜完整性和生殖功能中起着重要作用[1,2]。然而，环境中过量的硼可能对生态系统造成危害，因为它会在组织中产生毒性症状，引发重要的农业和生态问题[3,4]。最近，采矿活动、清洁产品的使用以及农业径流成为水生栖息地中硼浓度增加的主要来源，尤其是在干旱和半干旱地区[5,6]。在这种情况下，硼及其化合物释放到环境中已成为一个关键问题，水和土壤中的硼污染引起了科学界的广泛关注[7,8]。特别是在土耳其西部安纳托利亚地区，由于采矿活动和废水排放，硼污染导致了各种环境问题[6]。因此，与水和土壤污染相关的硼修复已成为生态保护、农业可持续性和公共健康的重要课题[[9], [10], [11]]。

已经开发了多种修复方法来减轻水生栖息地中的硼污染。不幸的是，传统处理方法（如反渗透）无法去除水生环境中的硼化合物，这些化合物可能会扩散到水生生物体内[5,8]。此外，大多数传统的硼去除技术要么成本高昂，要么会产生化学残留物作为次级污染物[9,12]。特别是通过废水排放释放到水环境中的化学物质会在沉积物中积累，导致水生生态系统的二次污染[7,13]。相比之下，生物修复方法是一种低成本、简单且环保的方法，利用生物体的代谢活动去除水和土壤中的污染物[1,14]。这种方法通常利用植物、真菌和细菌来吸收、降解或稳定污染物[2]。然而，关于水生环境中硼的生物修复研究仍然有限[7]。

沉积物微生物燃料电池（SMFC）是一种环保的生物电化学技术，利用微生物活动产生电能，是环境生物技术领域的最新创新[15,16]。典型的SMFC装置在沉积物基质中使用产电细菌，这些细菌在阳极室氧化有机底物，释放电子和质子[17,18]。相应地，电子从阳极室流向阴极室，在沉积物基质中产生电流[15]。沉积物微生物燃料电池（SMFC）为通过电迁移修复湿地环境中的类金属污染物提供了一种有前景的生态电化学方法[19,20]。在SMFC中，位于阳极环境中的电活性细菌氧化有机物并释放电子，这些电子通过外部电路流向阴极[[21], [22], [23]]。这一过程在阳极和阴极之间建立了电位梯度，需要离子通过沉积物基质移动以维持电中性[24,25]。这种内部的离子传输使得带电的类金属物种（如硼酸盐（B(OH)??）、砷酸盐（AsO?3?）或硒酸盐（SeO?2?）通过电迁移从阳极区域向阴极区域移动，从而促进它们的重新分布和从沉积物中的去除[[26], [27], [28], [29]]。类似的受控SMFC系统也被用于研究金属的迁移性和生物电化学行为，例如在为铜修复设计的单一介质植物-SMFC配置中[30]。这些系统允许在明确的实验室条件下可重复评估电动传输、植物-微生物相互作用和污染物动态

虽然之前的研究已经探讨了使用MFC或构建的湿地-MFC从废水中去除硼[26,31]，但本研究首次探讨了利用由电迁移驱动的SMFC，结合Lemna gibba植物和磁性壳聚糖复合珠的协同阴极去除系统来修复硼污染的沉积物。硼及其化合物在沉积物基质中以多种形式存在，包括自由阴离子、非离子分子、无机复合物和有机复合物[3,32]。这些化学形式影响硼在沉积物环境中的反应性、迁移性和生物可利用性。更重要的是，硼的生物可利用性受沉积物性质（如pH值）、水参数（如盐度和离子强度）以及环境因素（如温度）的控制[3,33,34]。其中，pH值是影响水中硼可用性的最重要因素。在较低的pH值（pH < 9）下，硼主要以硼酸（H?BO?）的形式存在，这是一种在沉积物中中性且不移动的物种[[35], [36], [37]]。然而，在pH > 9的情况下，硼主要以硼酸盐离子（B(OH)??）的形式存在，这些阴离子能够在沉积物环境中迁移[8,36,38]。这一过程增强了硼的迁移性，并使其能够在SMFC的阴极室中富集，从而实现靶向处理。因此，可以假设通过SMFC驱动的电迁移技术可以从沉积物中去除过量的硼。简而言之，电迁移过程是指在SMFC系统产生的电场影响下，离子态硼在沉积物基质中的移动[16]。这一过程增强了硼在沉积物基质中的迁移性，并使其能够在阴极室中富集，从而实现靶向处理。为了增强阴极区的硼去除效果，使用如L. gibba这样的水生模式植物以及具有高亲和力的生物聚合物（如壳聚糖）来去除金属污染物具有很大的潜力[[39], [40], [41]]。多项实验研究表明，浮萍，特别是L. gibba和L. minor，可用于富硼水体的植物修复[[42], [43], [44], [45]]。在这方面，L. minor在最佳条件下（5 mg/L B，pH 8）实现了高达96.7%的硼去除效率，但在较高浓度下由于植物毒性其性能显著下降[46]。相反，L. gibba表现出较强的硼生物累积能力，在17.39 mg/L B浓度下达到了2088 mg/kg[45]。此外，结合L. gibba和壳聚糖生物聚合物珠的集成处理系统在四天内有效降低了饮用水中的硼含量[39]。在这方面，基于壳聚糖的复合材料由于其高亲和力和环保特性，已成为从水环境中去除硼的有效吸附剂[39,47,48]。壳聚糖是一种从几丁质衍生的生物聚合物，具有许多氨基和羟基官能团，可以与硼物种相互作用，尤其是在经过化学修饰或与其他材料（如金属氧化物、沸石或活性炭）结合时[39,48]。

本研究探讨了硼通过SMFC装置从沉积物阳极室电迁移至阴极区，然后通过生物和吸附机制共同去除的过程。因此，富含Lemna gibba和壳聚糖复合珠的SMFC阴极室为从SMFC阳极（沉积物）室电迁移而来的硼提供了理想的富集基质。本研究旨在通过结合基于植物的吸收和生物聚合物吸附，在电迁移增强的阴极室内，探索一种多机制和可持续的硼修复方法。

部分摘录

沉积物采集与预培养

用于SMFC单元阳极室的沉积物样本采集自土耳其阿克萨赖的一个淡水湿地。为了确保最大的微生物活性和稳定的水分含量，采样在早春进行。使用岩心采样器从不同采样点采集沉积物。每个采样点在1 m2网格内采集三个重复样本以确保均匀性。沉积物样本被放入酸洗后的...

Lemna gibba对硼的吸收特性

在保持恒定入口浓度的条件下，评估了L. gibba在不同pH值下的硼去除性能（图S1）。根据出口浓度计算出的去除效率随pH值变化显著：pH 4时为9.7 ± 0.75%，pH 5时为12.2 ± 1.07%，pH 6时为17.2 ± 1.88%，pH 7时为20.2 ± 0.86%，pH 8时为18.7 ± 0.75%，pH 9时为14.1 ± 0.43%。这些结果表明，在实验期间，最佳的硼去除效果发生在pH 7附近。

结论

本研究描述了沉积物微生物燃料电池（SMFC）内的硼（B）传输动态，该燃料电池作为一个多组分生态系统，涉及Lemna gibba和磁性壳聚糖复合珠（Ch-Mag-Ed）。实验结果表明，该系统从沉积物中实现了44.9%的最大硼去除效率。这种去除主要是由电迁移驱动的，由电位梯度和维持电中性的需求所触发

CRediT作者贡献声明

阿尼尔·雅卡尔（An?l YAKAR）：研究、数据分析。奥努尔·坎·图尔克（Onur Can TüRKER）：初稿撰写、方法学设计、研究、数据分析。努拉伊·伊尔马兹·巴拉恩（Nuray YILMAZ BARAN）：初稿撰写、方法学设计、研究、数据分析。塔拉特·巴拉恩（Talat BARAN）：初稿撰写、方法学设计、研究、数据分析。