通过生物生成铁纳米粒子包覆的真菌膨胀污泥实现微滴发电

《Environmental Research》：Droplet electricity generation via biogenic iron nanoparticle-coated fungal bulking sludge

本研究利用废弃真菌膨胀污泥表面生物合成铁纳米颗粒，设计出一种新型水滴驱动发电装置。实验表明，单滴水滴作用可使装置产生40 mV瞬时电压和50 nA电流，其机理涉及真菌生物膜孔隙结构的水滴拖动效应、表面电荷梯度及FeNPs长程电子传输。该成果为废水处理与水基发电交叉领域提供了新思路。

　　

张丽颖|孟帆剑|卢欣|张海峰|张兰合

东北电力大学化学工程学院，吉林，132012，中国

摘要

真菌膨胀污泥（FBS）是废水处理过程的副产品，由于处理成本高且会造成环境污染。本研究提出了一种新方法，在真菌生物膜表面生物合成铁纳米颗粒（FeNPs），通过单个水滴的作用同时产生电能。实验中实现了40 mV的瞬时电压输出。真菌生物膜的亲水性和孔结构有助于水滴的拖拽作用。设备的发电能力依赖于FeNPs的导电性实现远距离电子转移。水力发电的刺激模型表明，电势的产生与质子浓度梯度不对称有关。批量实验表明，质子化和离子动力学对发电至关重要。本研究首次利用非电活性的真菌生物膜在其表面生物合成铁纳米颗粒，通过生物膜多孔结构中水分子的运动和 dissociation 实现稳定且连续的功率输出。这些发现为废水处理与水基发电交叉领域的新能源材料和技术发展提供了新的思路。

引言

污泥膨胀（WAS）是传统活性污泥（CAS）反应器二次沉淀池不可避免的副产品（Qian等人，2016；You等人，2025）。污泥膨胀的管理面临诸多挑战，主要涉及资源利用效率低、碳化技术成本高以及环境风险（J. Hu等人，2022；Xiao等人，2023）。特别是在废水处理厂（WWTPs），每年都会频繁出现丝状细菌的过度生长（Wang等人，2016；Zhang等人，2017）。丝状细菌或真菌的过度生长会导致活性污泥质量下降，从而增加污泥排放量（Burger等人，2017；Lu等人，2023c）。这种情况加剧了污泥膨胀管理的难度（Ma等人，2024）。因此，开发有效利用排放的丝状污泥进行资源回收的新策略至关重要。

众所周知，真菌膨胀污泥（FBS）比丝状细菌更容易且更快地形成真菌生物膜，导致处理难度增加（Harding等人，2009；Siqueira等人，2011）。真菌生物膜具有复杂的三维结构，包含通道和空隙（Giammarino等人，2025；D. Wang等人，2024）。这种独特的结构激发了利用真菌生物膜设计基于水滴的发电机（DEG）以捕获和收集电能的可行性（Hasan等人，2022；Li等人，2022）。多项最新研究表明，基于水滴的发电机在实际户外场景中具有巨大的光电应用潜力（Huang等人，2026；Chen等人，2025；Xia等人，2022）。DEG的发明基于“水伏效应”概念，通过接触电化和静电感应耦合来收集电能（Dong等人，2023；Xu等人，2022）。研究人员最初发现，通过将离子液体沿石墨烯拖动，可以捕获约30 mV的瞬时电压和2.03 kW/m2的功率输出（Yin等人，2014）。以往的文献主要关注使用昂贵且复杂的非生物材料作为DEG的基底材料，如石墨烯、金、聚电解质等（Ren等人，2021）。最新的研究基于微生物生物膜和水的自然过程开发了创新的生物能源系统（Q. Hu等人，2022；Liu等人，2022；Lü等人，2023）。Geobacter sulfurreducens的成熟生物膜可通过蒸发用于可持续的水力发电（Liu等人，2022）。通过深入探索，研究人员确认G. sulfurreducens细胞中的丝状蛋白质纳米线也能形成复杂的三维结构用于水力发电（Lü等人，2023）。纳米线的导电性和丝状结构对于G. sulfurreducens生物膜通过多孔材料的水流作用产生电能至关重要，这归因于正负电荷（H?和OH?）的分离（Q. Hu等人，2022）。

尽管丝状真菌在废水生物处理中会造成问题，但它们可以参与将铁离子还原为纳米级颗粒（Anjum等人，2023；Kumar等人，2023）。微生物的代谢过程可以生成生物合成的铁纳米颗粒（FeNPs）（Saif等人，2016）。这些FeNPs具有优异的导电性，因为它们具有金属特性和高表面积，从而实现高效的电子传输（Gao等人，2023；Liang等人，2022）。在生物电化学系统中，生物合成的FeNPs可作为导电材料来改善和维持电性能（Singh等人，2025）。当氧气稀缺或pH值偏酸时，以丝状细菌为主的污泥膨胀可能会切换到替代的代谢策略，通过其独特的代谢相互作用将含铁离子（Fe3?）的废水还原为FeNPs（Chi等人，2022；Zakariya等人，2022）。由于铁纳米颗粒附着在真菌生物膜表面，生物合成的FBS-FeNPs生物膜应具有导电潜力。因此，理论上，当水滴在FBS-FeNPs生物膜表面拖动时，应该能够实现水力发电。

本研究旨在探讨通过生物合成FeNPs从废弃的真菌膨胀污泥中获取能量的实际潜力。我们设计了一种生物合成的FeNPs涂层的真菌生物膜，可以从单个水滴中收集电能，称为FBS-FeNPs DGEs。通过滴加1 mol/L NaCl溶液，FBS-FeNPs生物膜可以产生40 mV的瞬时电压和50 nA的电流输出。真菌生物膜的亲水性归因于细菌的胞外聚合物物质（EPS），这有助于水滴与材料表面的接触。真菌丝状体的过度生长增加了污泥絮体的孔隙度，从而在载体生物膜表面形成了微/纳米通道。当水滴滴落在生物膜表面时，这些微/纳米通道有助于形成导电电流。生物合成的FeNPs通过减少废水中的铁离子，促进了生物膜内长距离的电子传输，实现了设备的功率输出。结合COMSOL模拟模型，研究发现生物膜水滴发电的原理涉及FBS-FeNPs生物膜多孔结构中水分子的运动、离子和电子之间的相互作用以及FBS-FeNPs生物膜表面电荷的分布变化。这些发现不仅为理解生物膜的能量转换过程提供了理论基础，还为新能源材料和技术的发展提供了新的思路，促进了废水处理与水基发电交叉领域的新研究。

章节片段

真菌膨胀污泥的收集

近年来，我们的实验室一直在研究如何有效控制污泥膨胀（Lu等人，2023a，2022）。传统的活性污泥反应器一直在连续运行，以模拟废水处理厂的运行情况（图S1）。反应器的操作参数和进水成分分别在表S1和S2中提供。实际上，低pH值是一个常见因素，通常会诱发真菌膨胀现象。

通过真菌膨胀污泥生物合成FeNPs

当真菌膨胀污泥与含铁模拟废水接触时，监测了铁的去除效率，以确认丝状真菌对铁的利用情况。考虑到实际含铁废水（如冷轧废水）中铁离子的总浓度通常在100–1000 mg/L范围内，将FeCl?的最大浓度设定为0.01 mol/L（约560 mg/L），以简化絮凝、沉淀或酸性条件下的模拟系统。

结论

总结来说，我们利用废弃的真菌膨胀污泥，在真菌生物膜表面生物合成FeNPs，组装了一种基于水滴的发电机。当NaCl溶液滴落在FBS-FeNPs DGE设备表面时，产生了瞬时电压（40 mV）和电流（50 nA）的输出。电信号的生成取决于从生物材料表面拖动水滴的过程，这归因于...

概述

固体膨胀污泥通过生物合成的铁纳米颗粒真菌生物膜从单个水滴中产生可持续的电能

CRediT作者贡献声明

卢欣：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取。孟帆剑：监督，资源提供。张丽颖：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，方法论，调查，数据分析，概念化。张兰合：监督，资源提供，调查。张海峰：监督，资源提供

未引用的参考文献

Hu等人，2022；Wang等人，2024。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Xin Lu报告获得了中国国家自然科学基金的支持。Xin Lu报告获得了中国博士后科学基金会（CPSF）的博士后奖学金支持。Liang Fu报告获得了中国国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（52300033，52570068）和CPSF博士后奖学金计划（GZC20240185）的财政支持。作者感谢SCI-GO（www.sci-go.com）提供的TEM分析支持，以及Scientific Compass（www.shiyanjia.com）提供的BET分析支持。