黄铁矿和污泥生物炭的协同效应提升了人工湿地-微生物燃料电池的性能，并减少了温室气体的排放

《Bioresource Technology》：Synergistic effects of pyrite and sludge biochar enhancing performance and reducing greenhouse gas emissions in constructed wetland-microbial fuel cells

本研究对比焦炭、污泥生物炭及复合电极的垂直流人工湿地-微生物燃料电池系统，发现复合电极显著提升COD（93.68±2.22%）、NH4+（84.26±6.94%）等污染物去除率，并降低CH4和N2O排放，其机制与硫循环及功能菌群富集相关。

　　

王茂森|秦阳一|吴海明|赵建国|郑立和|丁克宇|王宝贵|杜静静

郑州轻工业学院材料与化学工程学院，中国郑州

摘要

将 constructed wetlands 与微生物燃料电池（CW-MFC）相结合为废水处理和生物能源回收提供了一种可持续的策略。然而，使用传统电极材料的 CW-MFC 通常受到电子传输效率低和大量温室气体排放的限制。在这项研究中，我们系统地评估了两种改良的垂直流式 CW-MFC 系统的性能：一种是使用污泥生物炭作为电极的 sCW-MFC，另一种是使用黄铁矿-污泥生物炭作为复合电极的 psCW-MFC。为了明确改良配置的性能优势，我们设置了一个基于焦炭的系统（cCW-MFC）作为对照。结果表明，psCW-MFC 在 COD 的去除效率上达到了 93.68 ± 2.22%，NH₄⁺-N 的去除效率为 84.26 ± 6.94%，TN 的去除效率为 83.43 ± 6.89%，PO₄^3--P 的去除效率为 81.86 ± 3.30%。该系统还展示了最高的功率密度（0.90 W·m^-3）以及最低的 CH₄ 和 N₂O 流量。高通量测序显示，某些功能基因（如 Thauera、Geobacter、Zoogloea 和 Sulfuritalea）和反硝化基因（如 NirS、NorB、NorC 和 NosZ II 亚群）得到了富集，这促进了铁-硫循环并增强了完全反硝化作用。此外，PilB、PilC、CYC、FeoH 和 FdsB 等基因的富集也有助于提高电生成性能。因此，本研究强调了黄铁矿-污泥生物炭复合电极在同时提高 CW-MFC 系统处理效率和可持续性方面的潜力。

引言

全球人口在 2019 年达到了 77 亿，并预计到 2050 年将激增至 97 亿（联合国，2019 年）。人口的持续增长导致全球水资源需求急剧增加，而全球快速的经济发展和城市化进一步加剧了水污染（Oyedotun 和 Ally，2021 年）。近年来，集成式 constructed wetland-microbial fuel cell（CW-MFC）系统因其在废水处理和生物能源回收方面的潜力而受到越来越多的关注（Wu 等人，2025 年；Kiran Kumar 等人，2023 年）。提高电化学性能对于 CW-MFC 系统的大规模实际应用至关重要（Ji 等人，2021 年）。解决这一挑战的最直接和有效策略之一是开发导电性高、成本低廉、环保且耐用的电极材料（Huang 等人，2021 年）。最近的一项研究比较了焦炭和石油焦作为 CW-MFC 电极材料的情况，结果表明焦炭在污染物去除和发电方面表现更优（Zhang 等人，2025 年）。这种优势归因于其多孔结构，该结构支持了更多种类的反硝化细菌和磷积累细菌。然而，焦炭电极容易老化，这会降低其在实际废水环境中的耐久性（Bai 等人，2021 年）。最近的综述指出，需要进一步优化 CW-MFC 系统设计和功能材料以克服现有的技术和生物学限制（Rusyn 和 Gómora-Hernández，2024 年）。

随着对废水处理需求的增加以及资源的有限性，污泥生物炭（SC）成为将废物转化为有价值资源的有希望的材料（Singh 等人，2020 年）。SC 具有多种优势，包括高比表面积、良好的生物相容性、良好的导电性以及丰富的官能团（Zhang 等人，2024 年；Liu 等人，2016 年）。最近的研究表明，SC 可以提高 CW-MFC 系统中的污染物去除率和发电量（Zheng 等人，2022 年；Zhong 等人，2025 年；Ouyang 等人，2025 年）。SC 改善了阴极处的氧还原反应，并通过吡啶基和石墨氮等氮官能团促进了反硝化过程（Prabhu 等人，2024 年；Mian 等人，2022 年；Qu 等人，2022 年）。这种集成策略为废水治理和污泥回收提供了新的途径。

与传统 constructed wetlands 类似，CW-MFC 系统在减少温室气体（GHG）排放方面也面临挑战，尤其是由于反硝化不完全产生的 N₂O（Zhang 等人，2023 年）。N₂O 是一种强效的温室气体，其全球变暖潜能值（GWP）是 CO₂ 的 273 倍（IPCC，2022 年）。因此，N₂O 的排放成为 CW-MFC 系统可持续应用的重大障碍（Wang 等人，2019 年）。然而，关于减少 CW-MFC 中 N₂O 排放的研究相对较少，尤其是那些使用 SC 作为电极材料的系统（Zhang 等人，2024 年；Ouyang 等人，2025 年）。CW-MFC 中反硝化不完全的一个关键因素是电子供体的不足，这导致 NO₂^--N 的积累和随之产生的 N₂O（Li 等人，2019 年）。黄铁矿（FeS₂）含有铁（Fe²⁺-Fe³⁺）氧化还原对和硫物种（如 S^2-），具有强大的电子供体能力，可以增强 NO₃^--N 的还原途径（Di Capua 等人，2020 年）。最近的研究表明，黄铁矿在这些系统中充当连续的电子供体，有助于将 NO₃^--N 完全还原为 N₂，并减少 NO₂^--N 的积累（Zhu 等人，2023 年）。CW 中的铁-硫耦合循环优化了电子分布，减少了反硝化细菌还原 N₂^-的延迟（Liu 等人，2024 年）。在微生物调控方面，黄铁矿的存在促进了铁自养或硫自养反硝化细菌（如 Thiobacillus、Thermomonas 和 Geothrix）以及铁还原细菌的生长。这种富集作用与异养反硝化细菌（如 Thauera）形成了协同作用，增强了混合营养反硝化作用，有效减少了 N₂O 的排放（Liu 等人，2023 年；Ge 等人，2020 年）。在基于 SC 的 CW-MFC 系统中加入黄铁矿作为电极增强剂，有望协同减少 NO₂^--N 的积累，并为 N₂O 的减排提供创新的技术解决方案。然而，关于黄铁矿在这种特定系统配置中的实际应用和作用机制的研究仍然非常有限。

在这项研究中，分别使用焦炭、SC 和黄铁矿-SC 复合材料建立了三个 CW-MFC 系统。进行了全面的表征，以评估污染物去除效率、温室气体排放情况、生物电生成性能和微生物群落组成。本研究的主要目标是：1）系统地评估作为复合电极的改良黄铁矿-SC 的可行性和有效性，重点是其提高 CW-MFC 系统污染物（COD、NH₄⁺-N、TN 和 PO₄^3--P）性能的能力；2）定量评估复合电极对温室气体（CO₂、CH₄ 和 N₂O）流量的影响，特别关注其在减少 N₂O 排放方面的作用；3）深入探讨提高系统性能的内在功能机制，重点关注相关电子传输途径之间的协同作用。本研究旨在为高性能 CW-MFC 技术的发展提供新的见解和技术参考。

部分摘录

电极材料

在 CW-MFC 中使用了三种导电材料作为电极：焦炭、污泥生物炭和黄铁矿。焦炭来自宁夏白云碳业有限公司（中国宁夏），SC 的制备方法见补充材料，黄铁矿采集自湖南上堡矿区。这些材料被固定在导电粘合剂上，并涂覆了金（Quorum SC 7620，45 秒），然后通过扫描电子显微镜（SEM，ZEISS Sigma 360）进行表征

COD 去除

图 2a 显示了所有系统在稳定运行阶段 COD 去除性能的变化。当进水 COD 浓度为 301.37 ± 3.85 mg·L^-1 时，cCW-MFC、sCW-MFC 和 psCW-MFC 系统的出水 COD 浓度分别为 25.91 ± 5.26 mg·L^-1、19.68 ± 6.43 mg·L^-1 和 19.06 ± 6.79 mg·L^-1。相应的平均去除效率分别为 91.40% ± 1.73%、93.46% ± 2.12% 和 93.68% ± 2.22%。这些结果表明，使用 SC 的系统

结论

在这项研究中，我们开发了一种用于垂直流式 CW-MFC 系统的新型复合电极策略，并验证了黄铁矿和污泥生物炭在提高污染物去除率、电生成能力和减少温室气体排放方面的协同效应。污泥生物炭为反硝化细菌提供了多孔、导电且生物相容的基质，而黄铁矿则通过铁-硫循环作为有效的电子供体和氧化还原介质。此外，

未引用的参考文献

Alipour 等人，2021 年；Li 等人，2019 年；Zhou 等人，2018 年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金（编号 32271701）、河南省高等学校科技创新人才计划（编号 24HASTIT027）和 河南省优秀青年科学基金（编号 232300421103）的支持。