1.绪论

随着我国经济持续快速发展，人民的生活水平日益提高，但同时也伴随着严重的污染问题。土壤污染已成为我国面临的比较棘手的问题，我们的工农业生产和生活离不开土壤这一重要的自然资源，而土壤重金属污染是土壤污染问题中比较严重的一部分，我国部分地区土壤生态环境遭到严重破坏，生态修复工作复杂，给我国的生态环境保护带来极大的挑战，同时，作为生产资源的土壤被重金属污染后，也阻碍我国经济社会的持续健康发展。

目前市场上主流的修复方法大致分为三种：物理修复、化学修复、生物修复[1-2]。物理修复方便快捷，如换土法，但此种方法往往只是转移了污染，而无法彻底解决污染的问题。化学修复容易造成土壤中化学试剂的残留，进而引发土壤的二次污染，或是改变重金属在土壤中的形态，也未真正实现重金属的去除。为了应对这种问题，微生物燃料电池作为一种兼具底泥净化和产电功能的新型电池便顺理成章的跃入了人们的视野，其具有成本低、易操作、环境友好等优点，是一种治理受重金属污染农田的新技术。

2.微生物燃料电池的现状

(1)海水沉积型微生物燃料电池

阳极区域的微生物群体通过降解沉积物中的有机物质产生电子并传递给阳极，电子再通过外电路传递给阴极，与阴极区域可以接触氧气，电子与其附近的氧气相结合，构成完整的氧化还原反应，从而完成化学能向电能的转化[4]。SMFC作为一种新型的燃料电池系统，其在新能源领域的研究备受青睐[5]。

沉积型微生物燃料电池内发生氧化还原反应，因此可以利用沉积型微生物燃料电池分别在阳极发生氧化反应、阴极发生还原反应的特点处理底泥及水体的污染。另外，某些异养微生物具有氧化还原作用，其作用可以改变土壤中重金属元素的价态，将土壤中的重金属污染物转化为低毒或无毒，进而实现土壤修复[7]。微生物修复技术具有修复成本低、可再生、无二次污染等优点，具有较好的生态效益[6]。

(2)植物复合型燃料电池

沉积型微生物燃料电池（Sediment Microbial Fuel Cell，SMFC）是在传统微生物燃料电池的基础上改良而来的新型绿色能源技术，其多应用于自然环境中，因反应器结构简单，更接近实际应用，极具开发价值，SMFC由埋入缺氧的底泥中的阳极和悬浮在有氧的上层水中的阴极相连接构成[3]，

①植物种类对产电性能的影响

植物根系不仅可以提供碳源，还会产生可以影响产电性能的氧气。水生植物可将氧气输送至根尖，这些生成的微量氧气可以构成一个氧化态微环境。根据Strik等人的研究可以得知：植物被引入微生物燃料电池基于两个确定的结论：一是分泌的氧气可以加速有机物分解；二是根际有机物可以促进电流的产生。Strik等用湿地植物水甜茅构建的产电系统最大功率密度达到67mW/m2，并首次提出植物型微生物燃料（Plant MFCs，PMFCs）概念。Timmers等研究发现，加入植物后电流密度能达到之前的18倍。

黄永芳[8]基于美人蕉和风车草两种浮床植物构建P-SMFC系统，对比研究二者根系分泌能力和产电能力，发现风车草的根系分泌能力比美人蕉更强，且产电能力与根系分泌能力具有一致性，同时，可抑制底泥中重金属向上覆水中排放。LiuMl等科学家曾分别测量白天和夜间电池产电量的差别，结果发现峰值差距可达200mV左右，而无植物时却没有类似的规律。由此可以看出，植物根部分泌的氧气会极大程度影响电池的产电性能，而不同植物分泌氧气的能力又有较大差别。

②纳米铁对P-SMFC产电性能的影响

植物根系在阳极附近并为SMFC阳极提供根系分泌物，根系分泌物被微生物氧化产生电子传递给阴极，这样就将植物光合作用和SMFC的产电结合起来，同时，NZVI具有较强的还原性（E0=-0.44V），能与氧化性的物质发生反应，而且其粒径较小，比表面积大，对于难降解的有机污染物有着极强的降解能力，可以促进SMFC阳极传质。

对比研究发现，运行期间Fe-SMFC的电压和电流高于SMFC，SMFC电压峰值和电流峰值分别为38mV、0.04mA，Fe-SMFC的电压峰值和电流峰值分别为126mV、0.126mA，其中Fe-SMFC的电压、电流峰值要远高于SMFC组，这说明NZVI的加入可有效增强SMFC的电压、电流输出，NZVI对沉积物微生物燃料电池产电性能的提高主要源于强化有机物质的去除，为阳极产电微生物提供了更多的可利用有机物底物[9]，增强了产电微生物的活性，因此应用NZVI的反应器有助于有机物降解和生物发电，经NZVI修饰的阳极杆菌、放线菌等细菌群落的丰富度增加，因为NZVI可以提供适合细胞生长的条件。NZVI的添加提高了SMFC反应器的输出电压、电流，降低了其表观内阻，但却降低了其功率密度；NZVI对P-SMFC输出电压、电流的影响大致和SMFC相同，但其输出功率更低，而且内阻高于单纯的SMFC反应器。

文章来源：《植物遗传资源学报》 网址: http://www.zwyczyxbzz.cn/qikandaodu/2021/0616/709.html

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