人工濕地系統(tǒng)中自上而下的氧化還原電位梯度，具備了形成電池的陰、陽極電勢差的天然條件；而顆粒導電電極填料則加速了微生物燃料電池與人工濕地的有機融合。通過在垂向不同位置處嵌入電極形成的人工濕地-微生物燃料電池（CW-MFC）技術，可在強化污水凈化的同時利用電化學活性菌（EAB）的胞外電子傳遞過程實現(xiàn)電子的捕獲以及傳輸電壓和電流等電信號，進而使有機物中蘊含的化學能轉化為電能。CW-MFC型生物傳感器正是利用這一原理將污水中的有機物轉化為電信號，實現(xiàn)COD的原位監(jiān)測；同時避免了常規(guī)MFC型傳感器中陽極和陰極氧化還原環(huán)境的頻繁維護，以及因容量小、富集的EAB有限而易受沖擊負荷影響的問題。 

圖1 影響CW-MFC型傳感器性能的結構參數(shù)S 

　　面對眾多影響傳感性能的參數(shù)，該研究從傳感器裝置結構上著手，將電極位置、電極間距和電極大小等影響傳感性能的參數(shù)整合簡化為結構參數(shù)S，定義為陽極導電填料層厚度和非導電隔離層厚度之比（也是陽極體積與電極間距體積之比，也可理解為陽極體積與裝置體積比和電極間距體積與裝置體積比的比值（圖1））。通過研究結構參數(shù)S對輸出電信號、傳感性能以及EAB等功能菌群的影響，揭示該類型傳感器的傳感機制。 

圖2  不同S構型CW-MFC對COD的傳感性能差異及其機制 

　　研究發(fā)現(xiàn)，三種S構型生物傳感器雖然在擬合度、檢測范圍、檢測時間和靈敏度等傳感性能上存在差異，但均能實現(xiàn)對COD的良好響應。陽極區(qū)和陰極區(qū)富集的產(chǎn)電功能菌（EAB）和氮轉化功能菌（NTB）之間的不同競爭態(tài)勢是造成傳感性能差異的關鍵（圖2）。在不同S構型的傳感器中，陽極與陰極區(qū)域富集的EAB和NTB均達到了不同程度的穩(wěn)態(tài)平衡，從而使裝置表現(xiàn)出不同的電傳感性能。此外，在陽極區(qū)域，EAB決定著降解有機物傳遞出的電子數(shù)量，而NTB不但與EAB爭奪有機底物，還與陽極競爭EAB產(chǎn)生的電子，因而干擾輸出電壓信號。電荷量由于是時間累積量，因此比電壓信號穩(wěn)定，更適合作檢測信號。進一步通過電信號優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，當以穩(wěn)定電壓電荷量（Q_s）作信號時，在不影響檢測效果前提下，檢測時間最快縮短70%（圖3）。 

圖3  穩(wěn)定電壓庫倫量（Q_s）可作為優(yōu)化傳感信號 

　　該研究創(chuàng)新性提出影響CW-MFC型生物傳感器性能的結構參數(shù)S，并提出以穩(wěn)定電壓庫倫量(Q_s)為傳感信號來實現(xiàn)傳感性能優(yōu)化。實際應用中，CW-MFC還可作為COD超標的預警，甚至通過電信號聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠程監(jiān)測。 

　　該研究工作近期以“In situ COD monitoring with use of a hybrid of constructed wetland-microbial fuel cell”為題在線發(fā)表于《Water Research》上（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135421011519）。論文第一作者為博士生魯汭，通訊作者為肖恩榮副研究員。該研究得到國家自然科學基金（No. U20A2010）和湖北省科技創(chuàng)新工程（2019ACA151）的資助。