人工濕地系統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。運用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電子的捕獲以及傳輸電壓和電流等電信號，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COD的原位監測；同時，避免了常規MFC型傳感器中陽極和陰極氧化還原環境的頻繁維護，以及因容量小、富集的EAB有限而易受沖擊負荷影響的問題。
面對較多影響傳感性能的參數，中國科學院水生生物研究所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整合簡化為結構參數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，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）】。研究探討結構參數S對輸出電信號、傳感性能及EAB等功能菌群的影響，揭示該類型傳感器的傳感機制。
研究發現，三種S構型生物傳感器雖在擬合度、檢測范圍、檢測時間和靈敏度等傳感性能上存在差異，但均能實現對COD的良好響應。陽極區和陰極區富集的產電功能菌（EAB）和氮轉化功能菌（NTB）之間的不同競爭態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，陽極與陰極區域富集的EAB和NTB均達到不同程度的穩態平衡，從而使裝置表現出不同的電傳感性能。此外，在陽極區域，EAB決定降解有機物傳遞出的電子數量，而NTB與EAB爭奪有機底物，也與陽極競爭EAB產生的電子，因而干擾輸出電壓信號。電荷量由于是時間累積量，比電壓信號穩定，更適合作檢測信號。進一步優化電信號發現，當以穩定電壓電荷量（Qs）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）。
該研究創新性提出影響CW-MFC型生物傳感器性能的結構參數S，并提出以穩定電壓庫倫量（Qs）為傳感信號來實現傳感性能優化。實際應用中，CW-MFC還可作為COD超標的預警，甚至通過電信號聯網，實現人工濕地系統運行狀態的遠程監測。相關研究成果以In situ COD monitoring with use of a hybrid of constructed wetland-microbial fuel cell為題，在線發表在Water Research上。研究工作得到國家自然科學基金和湖北省科技創新工程的資助。
圖1.影響CW-MFC型傳感器性能的結構參數S
圖2.不同S構型CW-MFC對COD的傳感性能差異及其機制
圖3.穩定電壓庫倫量（Qs）可作為優化傳感信號
來源：中國科學院水生生物研究所
【來源：中科院之聲】
