《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Halophytic
Atriplex atacamensis as a platform for in situ Plant-Microbial Fuel Cells under Atacama Desert conditions
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验证了PMFC在hyper-arid和saline条件下的可行性，发现根区温度与电流输出强相关，电极腐蚀及氧还原反应动力学受扩散限制。研究拓展了植物微生物燃料电池在极端环境的应用场景。
Felipe M Galleguillos Madrid|Bernardo Paredes|Mauricio Trigo-Gonzalez|Sebastián Salazar-Avalos|Benito Gómez-Silva|Elmer Ramirez|álvaro Soliz|Dayana Arias
安托法加斯塔能源发展中心，安托法加斯塔大学，Angamos大街601号，安托法加斯塔1270300，智利
摘要
本研究评估了在智利阿塔卡马沙漠中，利用一种本地盐生植物Atriplex atacamensis Phil.与质子交换膜燃料电池（PMFC）结合进行电力生产的可行性。实验系统采用石墨阳极和AISI 316L不锈钢阴极，设置在靠近阿塔卡马沙漠太阳能平台（PSDA）的Yungay地区，该地区是地球上太阳辐射最强的区域之一。实验过程中持续监测了电力输出以及关键环境变量，包括空气和根部温度、相对湿度以及太阳辐射的各个组成部分：总水平辐照度（GHI）、散射水平辐照度（DHI）和光合有效辐射（PAR）。相关性分析表明，在极端干旱条件下，尤其是根部温度与PMFC的能量产生有最强的关联。A. atacamensis根际的微生物分析显示Bacillus foraminis占主导地位。基于混合电位理论建立的叠加模型对AISI 316L阴极进行了电化学表征，结果显示其腐蚀速率适中（icorr = 0.048 A/m2），氧气还原反应动力学为扩散控制类型（i? = ?2.42 A/m2），这表明质量传输限制和氧气供应不足是盐碱沙漠土壤中生物能源回收的关键限制因素。总体而言，研究结果证明了PMFC在极端干旱和盐碱沙漠条件下的技术可行性。这项工作不应被视为性能基准的建立，而应被视为一种现场概念验证，它将PMFC的研究范围扩展到了尚未充分探索的环境条件下。
引言
人为污染和密集的人类活动加速了自然资源的消耗，而这些资源对于维持生命和适应地球快速变化的气候至关重要。目前，超过24亿人生活在干旱地区，面临严重的水资源短缺问题，因此迫切需要开发能够生产能源、食物、淡水、氧气和其他资源的环保可持续技术，以提高人类的韧性。历史上，人类通过多种途径利用太阳辐射作为能源，包括生物质能、风能、水力发电和太阳能技术。化石燃料如煤炭、石油和天然气也被广泛使用，此外还有核能和地热能。最近，植物微生物燃料电池（PMFC）作为一种新型且有前景的可再生能源选项出现[1]、[2]。
PMFC是一种创新且环保的生物发电方法。其原理是将电极系统嵌入植物的生长基质中，以捕获生活在根际的电活性微生物释放的电子。这些微生物代谢光合作用过程中产生的根系分泌物以及来自植物组织和土壤有机物的分解产物[3]。通过这种方式，PMFC提供了多种生态系统服务，从电力生产到食物供应，再到环境调节和维持关键生态功能[4]。然而，其功率输出仍然是一个主要限制因素。虽然理论模型预测当植物作为唯一有机物来源时，PMFC的功率输出约为3.2 W/m2，但实验结果显示出较大的变异性[5]、[6]、[7]、[8]。一些估计表明，PMFC理论上可实现每年每公顷1000 GJ的产量，但传统系统的实际产量通常仅约为21 GJ/ha/year[5]，功率密度可能限制在约1.6 MW/km2[9]。相比之下，风力涡轮机和太阳能光伏系统的功率输出分别为5–7.7 MW/km2和4.5–7.5 MW/km2[9]。值得注意的是，PMFC在干旱和极端干旱环境中的潜力尚未得到充分探索。阿塔卡马沙漠在这方面具有特殊意义，因为该地区的直接法向辐照度（DNI）高达每年3800 kWh/m2。该地区的太阳辐射波长范围在150至3000 nm之间，与黑体在5777 K时的光谱分布非常相似。大约一半的辐射位于可见光范围内（390–770 nm），其余部分主要为红外辐射，只有少量属于紫外线谱段。平均而言，太阳辐照度约为1367 W/m2[6]、[10]、[11]、[12]。
在这种极端环境中生长着Atriplex atacamensis，这是一种属于Amaranthaceae科的木质灌木，是智利北部的特有盐生植物。它由Philippi于1860年首次描述[13]。这种植物分布于海拔600–900米至2400–2500米之间，分布于塔拉帕卡地区到安托法加斯塔地区，包括阿塔卡马沙漠[14]、[15]。这种C4植物能在极端干旱的盐碱土壤中茁壮成长，高度可达1.5米至3米，具有小而厚的软骨状叶片，这种叶片结构有助于减少水分流失[14]。其显著的耐盐性使其能够在其他植物难以生存的环境中存活[15]。因此，在像阿塔卡马沙漠这样的沙漠生态系统中研究PMFC具有重要意义。极端干旱、高太阳辐射和盐碱土壤的独特组合使该地区成为测试PMFC作为可再生能源系统可行性的天然实验室。尽管人们对PMFC技术的兴趣日益增加，但在极端干旱和盐碱条件下其运行机制的几个基本方面仍知之甚少，研究也不充分。特别是，紧凑型盐碱沙漠土壤的低水分含量对电化学过程的影响以及电极-土壤界面处的过程在控制长期PMFC性能方面的作用尚未得到充分研究。此外，适应沙漠环境的植物如何调节根际化学成分、微生物活动和电子可用性在持续水分胁迫下的机制也尚未完全阐明。解决这些知识空白需要综合方法，结合电化学诊断、土壤物理学、微生物生态学和长期野外监测[16]。
本研究的目标是在阿塔卡马沙漠的极端环境条件下，评估A. atacamensis作为PMFC的现场表现。具体来说，研究旨在：(i) 分析PMFC的电力性能与关键环境变量之间的关系，包括太阳辐射成分（总水平辐照度、散射水平辐照度和光合有效辐射），以及温度和相对湿度；(ii) 通过应用基于混合电位的叠加模型，评估石墨和AISI 316L不锈钢电极在高盐碱土壤中的电化学行为和腐蚀动力学；(iii) 利用16S rRNA基因测序技术，表征与PMFC运行相关的根际微生物群落，识别极端干旱条件下的优势细菌类群[17]。
研究地点和样本采集
研究在阿塔卡马沙漠内部的Yungay进行，海拔高度为1000米（24°05′24.0″S，69°55′48.0″W）。该地点是智利北部开展太阳能项目的战略位置，特别是通过阿塔卡马沙漠太阳能平台（PSDA）。气象数据来自安托法加斯塔大学能源发展中心（CDEA）运营的观测站（图1）。
现场能源回收
图2展示了安装在阿塔卡马沙漠Yungay地区的A. atacamensis植株上的PMFC的连续电流（A）随时间（天数）的变化情况以及根部温度。监测在极端太阳辐射条件下进行了两个月。需要明确的是，所讨论的相关性具体指的是根部温度与电流和能量密度之间的关系。
极端干旱条件下的PMFC性能
鉴于本研究的探索性质以及在极端沙漠条件下进行野外重复实验的局限性，更应重视能够提供新见解的结果，而非绝对性能指标。在这方面，对太阳辐射及其各组成部分的分析具有特别重要的意义。与大多数将辐照度视为单一聚合变量的PMFC研究不同，本研究明确考虑了...
结论
本研究证明了在阿塔卡马沙漠的极端干旱、高盐碱和强辐射条件下，使用本地植物A. atacamensis与PMFC结合进行电力生产的可行性。尽管面临严重的环境限制，PMFC系统在整个监测期间仍产生了稳定且持续的电信号，支持了适应沙漠环境的植物能够在极端条件下维持生物电化学活动的假设。
CRediT作者贡献声明
Dayana Arias：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，调查，形式分析，概念化。álvaro Soliz：撰写 – 原稿，软件开发，数据管理，概念化。Elmer Ramirez：撰写 – 原稿，验证，方法学，概念化。Benito Gómez-Silva：撰写 – 审稿与编辑，方法学，形式分析，概念化。Sebastián Salazar-Avalos：撰写 – 原稿，软件开发，方法学，利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了智利国家科学研究所（ANID）的资助，项目编号包括FONDECYT Iniciación 11241236、ANID/FONDAP 1523A0006（SERC-Chile太阳能研究中心）、ANID CTI 250019（SET-Chile可持续能源转型创新中心）。B. P.感谢智利国家科学研究所BECAS/DOCTORADO NACIONAL 21242160项目的支持。我们衷心感谢安托法加斯塔能源发展中心（CDEA）的电化学、腐蚀与太阳能氢实验室提供的基础设施支持。
