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(yáng)極電勢(shì)差的天然條件；而顆粒導(dǎo)電電極填料則加速了微生物燃料電池與人工濕地的有機(jī)融合。通過(guò)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(shù)，可在強(qiáng)化污水凈化的同時(shí)利用電化學(xué)活性菌（EAB）的胞外電子傳遞過(guò)程實(shí)現(xiàn)電子的捕獲以及傳輸電壓和電流等電信號(hào)，進(jìn)而使有機(jī)物中蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)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(jī)物轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)COD的原位監(jiān)測(cè)；同時(shí)避免了常規(guī)MFC型傳感器中陽(yáng)極和陰極氧化還原環(huán)境的頻繁維護(hù)，以及因容量小、富集的EAB有限而易受沖擊負(fù)荷影響的問(wèn)題。 

圖1 影響CW-MFC型傳感器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)S 

　　面對(duì)眾多影響傳感性能的參數(shù)，該研究從傳感器裝置結(jié)構(gòu)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(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)參數(shù)S，定義為陽(yáng)極導(dǎo)電填料層厚度和非導(dǎo)電隔離層厚度之比（也是陽(yáng)極體積與電極間距體積之比，也可理解為陽(yáng)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(guò)研究結(jié)構(gòu)參數(shù)S對(duì)輸出電信號(hào)、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(jī)制。 

圖2  不同S構(gòu)型CW-MFC對(duì)COD的傳感性能差異及其機(jī)制 

　　研究發(fā)現(xiàn)，三種S構(gòu)型生物傳感器雖然在擬合度、檢測(cè)范圍、檢測(cè)時(shí)間和靈敏度等傳感性能上存在差異，但均能實(shí)現(xiàn)對(duì)COD的良好響應(yīng)。陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)富集的產(chǎn)電功能菌（EAB）和氮轉(zhuǎn)化功能菌（NTB）之間的不同競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)是造成傳感性能差異的關(guān)鍵（圖2）。在不同S構(gòu)型的傳感器中，陽(yáng)極與陰極區(qū)域富集的EAB和NTB均達(dá)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(yáng)極區(qū)域，EAB決定著降解有機(jī)物傳遞出的電子數(shù)量，而NTB不但與EAB爭(zhēng)奪有機(jī)底物，還與陽(yáng)極競(jìng)爭(zhēng)EAB產(chǎn)生的電子，因而干擾輸出電壓信號(hào)。電荷量由于是時(shí)間累積量，因此比電壓信號(hào)穩(wěn)定，更適合作檢測(cè)信號(hào)。進(jìn)一步通過(guò)電信號(hào)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以穩(wěn)定電壓電荷量（Q_s）作信號(hào)時(shí)，在不影響檢測(cè)效果前提下，檢測(cè)時(shí)間最快縮短70%（圖3）。 

圖3  穩(wěn)定電壓庫(kù)倫量（Q_s）可作為優(yōu)化傳感信號(hào) 

　　該研究創(chuàng)新性提出影響CW-MFC型生物傳感器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)S，并提出以穩(wěn)定電壓庫(kù)倫量(Q_s)為傳感信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感性能優(yōu)化。實(shí)際應(yīng)用中，CW-MFC還可作為COD超標(biāo)的預(yù)警，甚至通過(guò)電信號(hào)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。 

　　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(guó)家自然科學(xué)基金（No. U20A2010）和湖北省科技創(chuàng)新工程（2019ACA151）的資助。