劉海林，陳金峰，鄒春萍

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境園藝研究所/廣東省園林花卉種質(zhì)創(chuàng)新綜合利用重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南都市農(nóng)業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510640）

【研究意義】植物微生物燃料電池（Plant-Microbial Fuel Cell，P-MFC）以植物光合作用產(chǎn)生的根系分泌物作為土壤產(chǎn)電微生物的電子供體，將太陽能持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能，是一種能耗少、無污染、持續(xù)性好、具有自我修復(fù)能力、可再生的綠色能源。它將植物的光合作用與微生物燃料電池技術(shù)相結(jié)合，在可再生能源開發(fā)、水污染治理、生態(tài)環(huán)境修復(fù)等方面顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，并作為一種有效緩解能源危機和環(huán)境壓力的新技術(shù)受到越來越多國家的關(guān)注［1-3］?！厩叭搜芯窟M展】P-MFC研究中采用的植物以濕地植物居多［4］，目前已有關(guān)于水稻（Oryza sativa）、大米草（Spartina anglica）、野古草（Arundinella anomala）、蘆竹（Arundo donax）、短葉茳芏（Cyperus malaccensisvar.brevifolius）、美人蕉（Canna indica）、風(fēng)車草（Cyperus alternifolius）、菖蒲（Acorus calamus）等P-MFC的研究報道［5-8］。然而，已報道的P-MFC產(chǎn)電性能仍相對較弱，其最大輸出功率密度僅為222 mW/m2［5］。為適應(yīng)濕地厭氧環(huán)境，濕地植物根系一般具有滲氧的生理特性。根系滲氧能在P-MFC陽極形成微氧環(huán)境，氧氣可與電極爭奪電子，從而影響P-MFC的產(chǎn)電性能［9］。自然狀態(tài)下，P-MFC陰極會自發(fā)形成菌藻膜［10］，菌藻膜進行光合作用，吸收水體中的HCO3-釋放OH-和O2［11］，改變陰極pH和氧化還原條件，也可能會影響陰極的電極反應(yīng)。另外，環(huán)境溫度變化影響植物的生長和微生物的代謝活性，從而也會對P-MFC的產(chǎn)電性能產(chǎn)生較大影響［4］。目前，對于以上因素如何影響P-MFC產(chǎn)電性能尚缺乏進一步的了解?！颈狙芯壳腥朦c】研究不同植物及環(huán)境因素對P-MFC產(chǎn)電性能的影響，對提高P-MFC產(chǎn)電能力、開發(fā)利用綠色能源具有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以巴拉草（Brachiaria mutica，禾本科）、短葉茳芏（Cyperus malaccensisvar. brevifolius，莎草科）、多枝扁莎（Pycreus polystachyus，莎草科）、雙穗雀稗（Paspalum paspaloides，禾本科）4種野外常見且耐水淹能力比較強的濕地植物為材料構(gòu)建P-MFC，研究了不同P-MFC產(chǎn)電性能的差異及其產(chǎn)電性能與環(huán)境因素和植物特性之間的關(guān)系，為構(gòu)建高效P-MFC、P-MFC產(chǎn)電性能機理的研究及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 4種濕地植物P-MFC的構(gòu)建

采用無離子交換膜的單室P-MFC為模型，以頂部直徑18 cm、底部直徑14.5 cm、高18.5 cm、總?cè)莘e4 L的黑色塑料桶作為反應(yīng)器，直徑14 cm、厚5 mm石墨碳氈作為陰、陽電極，電極間距5 cm，鈦絲連接電路［12］。陽極位于反應(yīng)器的底部，覆泥土5 cm，栽種植物后將陰極置于土層表面，注滿水（圖1）。反應(yīng)器中分別單獨栽種巴拉草（B. mutica）、短葉茳芏（C. malaccensis）、多枝扁莎（P. polystachyus）、雙穗雀稗（P. paspaloides）4種植物，每種植物3次重復(fù)，每個重復(fù)中栽種數(shù)量相等、健康無病害且生長狀況基本一致的植株，以無植物MFC作空白對照。啟動所有電池，并置于室外自然條件下預(yù)培養(yǎng)30 d，待開路電壓穩(wěn)定后，外接1 kΩ電阻，開始監(jiān)測數(shù)據(jù)，每隔10 min檢測和記錄1次電壓值和溫度值，連續(xù)監(jiān)測211 d（2016年10月24日至2017年5月28日）。

圖1 植物-微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the P-MFC system

1.2 產(chǎn)電性能相關(guān)參數(shù)測定

1.2.1 電壓和電極測定 采用Keithley 2700萬用表（美國Keithley儀器公司）實時監(jiān)測P-MFC輸出電壓，設(shè)置每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)。6 mm銀/氯化銀參比電極（上海楚兮實業(yè)有限公司）測定電池兩極電位，SG98多參數(shù)測試儀〔梅特勒-托利多（上海）有限公司〕測定陰極附近水體pH和溶解氧濃度。GSP-6型溫濕度記錄儀（杭州精創(chuàng)電子有限公司）實時記錄外界環(huán)境溫度值。輸出功率密度（Output Power Density，mW/m2）按以下公式計算：

輸出功率密度=U2/RS

式中，U為外接電阻兩端的電壓，R為外界電阻1 kΩ，S為陰極表面積（m2）。

每天8：30、13：30、18：00分別測定陰極區(qū)pH、溶解氧濃度，連續(xù)測定7 d。

1.2.2 根系滲氧量和滲氧率測定 采用檸檬酸鈦比色法［13］測定根系滲氧量。選用株高30 cm左右、根長約10 cm的4種植物單株分別置于營養(yǎng)液（0.1%瓊脂+10%Hoagland溶液）中，每組設(shè)3次重復(fù)，培養(yǎng)30 d。取50 mL潔凈試管，將連接氮氣瓶的導(dǎo)管插入試管底部持續(xù)吹氮排空氣，保證無氧環(huán)境；然后注入30 mL無氧營養(yǎng)液，再將用去離子水洗凈的植物根系轉(zhuǎn)入試管中，注入5 mL無氧檸檬酸鈦（Ⅲ）溶液，整個操作在持續(xù)通氮氣條件下進行；最后注入適量石蠟油密封液面，停止通氮氣。以無植物組作對照。將所有試樣及對照在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)6 h，UV Power PC型紫外分光光度計（北京萊伯泰科有限公司）測定其在527 nm處的吸光度，同時以濃度1～20 mmol/L的無氧檸檬酸鈦（Ⅲ）溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。計算根系滲氧量（ROL）和滲氧率（ROL rate）：

ROL（μmol/d·株）=4C×（Y-Z）

ROL rate（μmol/d·g）=4C×（Y-Z）/m

式中，C表示每個試管加入檸檬酸鈦（Ⅲ）后的溶液總體積（L），Y表示對照組反應(yīng)6 h后檸檬酸鈦（Ⅲ）濃度（μmol/L），Z表示放入植物的試管反應(yīng)6 h后檸檬酸鈦（Ⅲ）濃度（μmol/L），m表示植物根系干重（g）。

1.2.3 根系孔隙度測定 采用25 mL比重瓶法測定根系孔隙度，計算公式如下：

式中，m1為比重瓶+水的質(zhì)量（mg），m2為根樣鮮質(zhì)量（mg），m3為研磨前比重瓶+水+根樣的質(zhì)量（mg），m4為研磨后比重瓶+水+根樣的質(zhì)量（mg）［13］。

1.2.4 石蠟切片觀測 手工制作根系石蠟切片，利用HM340E型半自動石蠟切片系統(tǒng)（德國Microm公司）切片后用DM2500型正置顯微鏡（德國Leica儀器有限公司）進行觀察和拍照。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007進行統(tǒng)計分析，并結(jié)合Origin Pro 8.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和繪圖，SPSS Statistics 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，采用LSD法多重比較進行差異顯著性測驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種植物P-MFC電壓及電位變化情況

截取自2016年10月31日至2017年3月21日共142 d電池電壓較為穩(wěn)定的時間段進行數(shù)據(jù)分析，其中2017年1月24—25日因停電數(shù)據(jù)缺失，結(jié)果（圖2，封二）顯示，P-MFC及空白對照的電壓整體上呈穩(wěn)定的周期性波動，與溫度波動基本一致。10月至次年1月上旬平均氣溫高，電池平均電壓較高；1月中旬至2月上旬平均氣溫下降，電池平均電壓有所下降。雙穗雀稗的P-MFC平均電壓最高，為0.26（±0.02） V，其次是巴拉草、對照、短葉茳芏、多枝扁莎（表1）。從本研究結(jié)果來看，不同植物構(gòu)建的P-MFC產(chǎn)電性能差異較大，禾本科的兩種植物優(yōu)于莎草科的兩種植物，雙穗雀稗平均功率密度最大，為4.38（±0.56）mW/m2，多枝扁莎最小，為0.20（±0.08） mW/m2。

表1 4種植物P-MFC平均電壓和平均功率密度Table 1 Average voltage and average power densities of four P-MFCs

隨機選取3個晴朗日測定不同植物P-MFC的兩極電位和電壓，記錄時間為當(dāng)天5: 00至次日4: 30，每隔30 min測定一次數(shù)據(jù)。結(jié)果（圖3、圖4）顯示，不同植物P-MFC的陰極平均電位差別不大，但陽極平均電位差別明顯。陰極日平均電位表現(xiàn)為雙穗雀稗（0.48V±0.08 V）＞多枝扁莎（0.47V±0.01 V）＞短葉茳芏（0.42V±0.02 V）＞巴拉草（0.38V±0.01 V）＞對照（0.02V±0.07 V），而陽極日平均電位表現(xiàn)為多枝扁莎（0.46V±0.01 V）＞雙穗雀稗（0.32V±0.11 V）＞短葉茳芏（0.30V±0.05 V）＞巴拉草（0.12V±0.03 V）＞對照（-0.12V±0.04 V）。圖5顯示，盡管P-MFC陰陽極平均電位均高于對照，但平均電壓并不都高于對照，表現(xiàn)為巴拉草（0.26V±0.02 V）＞雙穗雀稗（0.17V±0.07 V）＞對照（0.1V6±0.03 V）＞短葉茳芏（0.12V±0.03 V）＞多枝扁莎（0.02V±0.02 V）。

圖3 4種植物P-MFC陰極電位日變化Fig. 3 Daily variation of cathode potential of four P-MFCs

圖4 4種植物P-MFC陽極電位日變化Fig. 4 Daily variation of anodic potential of four P-MFCs

圖5 4種植物P-MFC電壓日變化Fig. 5 Daily variation of voltage of four P-MFCs

2.2 4種植物P-MFC陰極區(qū)pH值及溶氧濃度

從圖6、圖7可以看出，P-MFC及對照的陰極區(qū)pH值、溶氧濃度變化趨勢均呈單峰型，最高值出現(xiàn)在13: 00—14: 00之間。P-MFC陰極區(qū)pH（7.2～8.5）、溶氧濃度（4.83～10.81 mg/L）均低于對照（8.6～9.9、6.28～15.88 mg/L），其中pH值變化情況表現(xiàn)為巴拉草7.3-8.5-7.4、短葉茳芏7.3-7.5-7.2、多枝扁莎7.2-8.5-7.3、雙穗雀稗7.2-7.2-7.3、對照8.6-9.9-9.4，溶氧濃度變化情況表現(xiàn)為巴拉草5.73 mg/L-10.26 mg/L-6.92 mg/L、短葉茳芏5.21 mg/L-8.11 mg/L-5.65 mg/L、多枝扁莎7.55 mg/L-10.81 mg/L-5.64 mg/L、雙穗雀稗5.15 mg/L-5.66 mg/L-4.83 mg/L、對照6.28 mg/L-15.88 mg/L-10.56 mg/L。其中，多枝扁莎P-MFC陰極區(qū)pH值、溶氧濃度均值最大，而雙穗雀稗則最小。

圖6 4種植物P-MFC陰極區(qū)pH值變化Fig. 6 Variation of pH in cathode area of four P-MFCs

圖7 4種植物P-MFC陰極區(qū)溶解氧濃度Fig. 7 Variation of dissolved oxygen concentration in cathode area of four P-MFCs

2.3 4種植物根系結(jié)構(gòu)及滲氧率

2.3.1 根系結(jié)構(gòu)和孔隙度 通過根系石蠟切片結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)不同植物根系內(nèi)均含有氣腔，說明根系均具有一定的通氣能力（圖8），巴拉草、雙穗雀稗和多枝扁莎的根系上具有較多細小根毛，而短葉茳芏根系根毛較少。采用比重法測定得到的根系孔隙度由小到大依次為巴拉草、短葉茳芏、雙穗雀稗、多枝扁莎（表2）。

2.3.2 根系滲氧率 由表3可知，不同植物種類的根系滲氧率存在差異。巴拉草和短葉茳芏相比其他植物有著更低的滲氧率，而多枝扁莎的滲氧率較高，僅次于菖蒲。滲氧率大小表現(xiàn)為短葉茳芏＜巴拉草＜雙穗雀稗＜多枝扁莎。

圖8 4種植物根系形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)比較Fig. 8 Root morphological and anatomic structure of four different plants

表2 4種植物根系孔隙度比較Table 2 Comparison of root porosity of four different plants

表3 4種植物根系滲氧率比較Table 3 Comparison of ROL rate of four different plants

3 討論

3.1 不同植物P-MFC產(chǎn)電特性

Helder等［5］以禾本科植物大米草（Spartina anglica）、野古草（Arundinella anomala）和蘆竹（Arundo donax）分別構(gòu)建P-MFC，其產(chǎn)電性能差異明顯，大米草和野古草P-MFC的最大功率密度和平均功率密度分別為222 、10 mW/m2和22 、21 mW/m2。吳夏芫等［16］以粉黛萬年青（Dief fenbachia）、小白掌（Spathiphyllum kochiiEngl. & K. Krause）、金邊富貴竹（Dracaena sanderiana）構(gòu)建了植物-沉積物微生物燃料電池（基質(zhì)為土壤），最大功率密度分別為8.7、14.0、13.0 mW/m2?？梢姡谕瑯訔l件下，采用不同植物構(gòu)建的P-MFC產(chǎn)電性能是有差異的。Timmers等［17］報道以大米草構(gòu)建的含離子交換膜的雙室P-MFC（陽極基質(zhì)為霍格蘭溶液）最大平均功率密度為22（±14）mW/m2；而Helder等［5］同樣以大米草構(gòu)建的P-MFC產(chǎn)電性能（222 mW/m2）要遠高于Timmers等的研究結(jié)果［17］，這與二者P-MFC所用的電極材料及陽極體積不同有關(guān)［5］?？梢?，同一種植物采用不同的電極材料和構(gòu)建P-MFC方法，其產(chǎn)電性能也是有差異的。朱娟平等［8］以風(fēng)車草（Cyperus alternifolius）和短葉茳芏構(gòu)建的河涌底泥P-MFC最大功率密度為10.74、10.05 mW/m2。而本研究中4種植物P-MFC平均功率密度均低于上述報道，但不同P-MFC間產(chǎn)電性能差異明顯，其中巴拉草和雙穗雀稗P-MFC產(chǎn)電性能優(yōu)于對照，而短葉茳芏和多枝扁莎P-MFC則低于對照?？傊x用合適的植物和優(yōu)化電池構(gòu)造有利于提高P-MFC的產(chǎn)電性能。

3.2 植物根系結(jié)構(gòu)和滲氧能力對P-MFC產(chǎn)電性能的影響

濕地植物為適應(yīng)濕地厭氧環(huán)境一般都具有根系滲氧的生理特征［18-19］。濕地植物根系滲氧率與通氣組織的發(fā)達程度、根部細胞的排列緊密程度有關(guān)，一般通氣組織越發(fā)達，根部細胞排列疏松，根系孔隙度越大，根系滲氧率越大［20-22］。因此，可通過觀察根系的解剖結(jié)構(gòu)和測定根系的孔隙度研究植物根系的滲氧能力。本研究中巴拉草和短葉茳芏的根系細胞排列相對緊密、孔隙度小，因而具有較低的滲氧率；而多枝扁莎和雙穗雀稗根系細胞排列疏松、孔隙度大，滲氧率高。當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)束后，取出多枝扁莎P-MFC電極，發(fā)現(xiàn)植株根系已遍布整個反應(yīng)器并穿透陽極，在陽極上表面和反應(yīng)器內(nèi)壁各形成一層較其他P-MFC更明顯的紅棕色氧化鐵膜，由此也反映出多枝扁莎根系具有更強的滲氧能力。與劉志寬等［15］和劉勇等［14］報道的其他濕地植物的滲氧率比較發(fā)現(xiàn)，多枝扁莎的滲氧率也屬于高水平。

已有報道表明，植物根際滲氧會為根際非產(chǎn)電微生物氧化降解根系分泌物提供電子受體［9］，進而提高P-MFC陽極電位，降低其產(chǎn)電性能［23］。因而，我們推測不同濕地植物P-MFC產(chǎn)電性能的差異可能與根系滲氧能力有關(guān)：巴拉草根系滲氧率較低，從而能夠維持較低的陽極電位，而多枝扁莎根系滲氧率最高，維持了較高的陽極電位，在二者陰極電位差別不大的情況下，高的陽極電位減弱了輸出電壓，降低了電池的產(chǎn)電性能?？梢姡禎B氧能力對P-MFC的產(chǎn)電性能具有明顯影響，可作為植物篩選時的一項重要參考依據(jù)。

3.3 陰極區(qū)pH和溶氧濃度對P-MFC產(chǎn)電性能的影響

本研究除雙穗雀稗陰極pH變化較為平穩(wěn)外，其他P-MFC陰極pH在白天的變化呈單峰型，這可能主要是因為陰極表面菌藻膜的光合作用消耗了水體中大量HCO3-，釋放OH-，造成水體pH隨著光照升高［11］。雙穗雀稗P-MFC植物覆蓋茂密，陰極電極上藻類少，pH相對穩(wěn)定。另外，陰極O2的還原過程也需要H+參與，白天P-MFC運行效率高，H+被大量消耗、濃度降低，pH增大。夜晚，藻類不再消耗水體中的HCO3-；同時陽極產(chǎn)電微生物代謝產(chǎn)生的H+擴散至陰極，補充了陰極上的損耗，使陰極區(qū)H+濃度逐漸升高，pH降低。吳瑾妤等［24］報道通過調(diào)節(jié)陰陽兩極pH可以優(yōu)化電池的產(chǎn)電性能，陽極堿性（pH 8.5）和陰極酸性（pH5.5）時，沉積物微生物燃料電池（SMFC）輸出功率最高。本研究中雙穗雀稗P-MFC陰極pH穩(wěn)定且相對較低，能為陰極O2的還原提供充足的H+，從而使其陰極電位較高，整體輸出功率較大。

除雙穗雀稗P-MFC外，其他P-MFC陰極以及對照表面均有一層菌藻膜，菌藻膜進行光合作用致使陰極溶解氧白天升高夜晚降低。陰極充足的氧氣濃度有利于提高MFC的產(chǎn)電性能［25］。巴拉草和多枝扁莎陰極的溶解氧濃度最高，但是巴拉草的陰極電位反而最低，這可能是因為陰極電位是氧氣、pH和微生物活性等共同作用的結(jié)果。

3.4 溫度對P-MFC產(chǎn)電性能的影響

本研究發(fā)現(xiàn)P-MFC的輸出電壓變化趨勢與溫度波動趨勢基本一致，溫度與P-MFC產(chǎn)電性能之間可能存在一定關(guān)系。10—11月平均氣溫高，電池平均輸出電壓較高，而此時期植物生長旺盛，株高增長明顯，根系和產(chǎn)電微生物代謝活躍；12月至次年3月，氣溫逐漸下降，電池平均輸出電壓下降，而此時期植物生長緩慢，根系和產(chǎn)電微生物代謝活動較弱，這與Zhou等［7］觀察到的現(xiàn)象類似?？梢姡瑴囟瓤赡芡ㄟ^影響植物和微生物的生理代謝活性間接影響P-MFC的產(chǎn)電性能［4］。若將溫度控制在適宜范圍內(nèi)，植物生長良好，根系分泌物豐富，陽極產(chǎn)電微生物代謝活躍，產(chǎn)生的質(zhì)子和電子量多，將有利于陰極還原反應(yīng)，從而使電池具備較高的產(chǎn)電性能。溫度對產(chǎn)電性能的影響及二者間的相關(guān)性，有待進一步研究。

4 結(jié)論

不同植物構(gòu)建的P-MFC產(chǎn)電性能差異明顯，種植植物的P-MFC電位高于無植物的對照。巴拉草和雙穗雀稗P-MFC產(chǎn)電能力較強，可能與巴拉草根系滲氧速率較低、雙穗雀稗陰極pH較低且比較穩(wěn)定有關(guān)。低的根系滲氧能力能夠維持低的陽極電位，陰極低pH環(huán)境有利于維持較高的陰極電位，從而使得電池整體輸出電壓較高。在利用濕地植物構(gòu)建P-MFC時，植物的根系特點尤其是根系滲氧生理是需要重點考慮的因素。