磁场耦合磁性碳点对微生物燃料电池中群落结构的定向调控机制研究

本文创新性地构建磁场（MF）耦合磁性碳点（N-CD/Fe3O4）的双重选择压力系统，通过间歇脉动流化床生物电化学反应器调控混合微生物群落结构。研究发现15 mT磁场下典型电活性菌（如Geobacter）丰度达40.32%，功率密度提升至空白组5.07倍（38.43 mW/m2），而60 mT磁场则促进非典型电活性菌（38%）与代谢互补菌（42.85%）的共生协作，为构建兼具高效发电与废水适应性的微生物接种体提供了新策略。

　　

Highlight

本研究揭示了磁场强度与磁性碳点协同调控微生物群落结构的动态规律：15 mT磁场下N-CD/Fe₃O₄通过促进细胞吸附聚集，显著提升群落内电子传递效率，使典型电活性菌（如Geobacter）占比突破40%，功率密度飙升至空白组5倍；而60 mT强磁场则触发微生物"生态位重构"，形成电活性菌-代谢互补菌的稳定共生网络，在真实废水环境中展现更强适应性。

Nanomaterials and biocompatibility characterization

透射电镜（TEM）显示：氮掺杂碳点（N-CD）呈5.21±1.14 nm球形分散，Fe₃O₄粒径为9.62±1.79 nm，二者复合形成的N-CD/Fe₃O₄尺寸增至11.96±2.38 nm，证实成功构建磁性纳米复合体。这种"磁-碳杂化"结构不仅具有超顺磁性（饱和磁化强度42.6 emu/g），其表面丰富的羧基/羟基还赋予优异生物相容性，为微生物吸附提供理想界面。

Conclusion

磁场耦合N-CD/Fe₃O₄可精准调控微生物群落功能分化：15 mT组在合成/真实废水中电压分别达509±21 mV和529±14 mV，呈现"电活性菌主导型"代谢模式；而60 mT组则形成"功能平衡型"群落，其COD去除率提升27.6%，证实磁生物学效应可定向优化微生物燃料电池（MFC）的产电-净化协同性能。