综述：人工湿地耦合微生物燃料电池协同减排污染与碳排放的研究进展

这篇综述系统阐述了人工湿地-微生物燃料电池（CW-MFC）技术如何通过电活性细菌（EAB）的胞外电子传递（EET）机制，实现污水净化、生物产电与温室气体（CH4/N2O）减排的三重协同效应，结合文献计量与随机森林模型（RF）量化了C/N比（CH4 31.10%，N2O 32.61%）等关键因子的影响，为工业化应用提供了电极材料优化、微生物驯化等实践路径。

　　

人工湿地耦合微生物燃料电池的协同减排机制

传统人工湿地（CW）虽能生态化处理污水，但其温室气体（GHG）排放量可达天然湿地的2-10倍。CW-MFC技术通过嵌入微生物燃料电池（MFC）构建了"上阴极-下阳极"的天然氧化还原梯度，电活性细菌（EAB）如Geobacter在阳极氧化有机物时，将电子传递至阴极还原O₂，同步实现COD去除率提升15-20%和CH₄减排30-50%。关键基因nosZ（N₂O还原酶）和pmoA（甲烷单加氧酶）的表达调控，揭示了微生物介导的碳氮循环分子机制。

文献计量驱动的优化策略

基于Citespace和VOSviewer的分析显示，2012-2024年CW-MFC研究聚焦于电极材料（碳毡/不锈钢网）和植物选型（Iris saline根系分泌物促进生物膜形成）。随机森林模型（RF）指出C/N比是GHG排放的首要调控因子（N₂O相对重要性32.61%），当C/N>8时，反硝化菌竞争电子抑制N₂O产生。典型案例中，60L级中试装置处理纺织废水时，COD去除率达74.10%，但阴极染料污堵需每月化学清洗，暴露了工业化瓶颈。

从实验室到工程化的实践挑战

当前CW-MFC推广面临三大障碍：电极老化（石墨板寿命<3年）、植物季节性衰亡（冬季芦苇光合效率降40%），以及成本效益失衡（吨水处理能耗0.12kW·h但电极成本占总投资60%）。解决方案包括：采用生物炭改性阳极提升导电性（内阻降低28%）、接种耐寒EAB菌群（Shewanella在10°C仍保持80%产电活性），以及耦合光伏供电形成闭环系统。未来，通过机器学习优化参数组合与开发模块化反应器，或将使CW-MFC成为污水处理领域"负碳"技术的新标杆。