这项研究探讨了一种创新且环保的方法，用于处理制药废水（PWW），同时产生生物电力。该方法采用了一种双室微生物燃料电池（DMFC），其特点是使用了锰钴氧化物涂层碳布（MnCo₂O₄-CV）电极，以优化有机污染物的去除并提高PWW中的电力生产效率。MnCo₂O₄-CV电极涂层是一种显著的技术进步，它提供了出色的化学稳定性、电导率、耐用性、较大的表面积以及增强的吸附能力。通过系统化的适应过程，研究者对不同的有机负荷进行了分析，以确定最佳的操作条件。结果显示，在有机负荷为2.0 g COD/L时，系统表现出了最佳性能。在此条件下，系统展示了对总化学需氧量（TCOD）、溶解性化学需氧量（SCOD）和总悬浮固体（TSS）的卓越去除效率，同时能够产生可观的电能输出。性能评估涵盖了最大电压、电流密度、功率密度、库仑效率以及污染物去除指标。通过16S rRNA基因测序进行的微生物群落分析揭示了阳极生物膜中多样化的细菌群落，这些微生物的协同作用有助于提升系统的整体性能。
制药废水因其含有大量有毒物质，如抗生素、维生素和化妆品成分，已成为一个严重的环境问题。这些有机污染物对水生生态系统和人类健康构成了重大威胁。全球每年消耗约三千万吨的药品，生成超过五万种不同的药品产品。制药工业的制造过程通常包括化学合成、发酵和提取等复杂步骤，这些过程排放的有害污染物对环境造成了显著影响。近年来，制药化合物越来越多地被检测到自然生态系统中，尤其是抗生素和止痛药如萘普生、双氯芬酸和布洛芬。Anwar等人指出，这种污染对水质和生态健康产生了重要影响。根据中央污染控制委员会（CPCB, 2020）的分类，制药行业的危险排放物被归类为“红色类别”。水体中长期暴露于抗生素会危害海洋生物，同时也对人类健康构成严重威胁，特别是对于那些已有肥胖、糖尿病或哮喘等慢性疾病的人群，这些污染物可能加剧现有的健康问题。Ettiyan等人强调，解决这一环境挑战具有紧迫性。有效的制药废水处理对于缓解这些问题至关重要。为此，研究人员已经开发了多种处理方法，包括电凝聚、氯化、臭氧氧化和吸附等。高级氧化工艺（AOPs）可以通过生成羟基自由基将有机分子分解为二氧化碳和水，但这些工艺通常需要大量空间和能源，成本高昂，并且可能产生有毒中间产物和二次污染。尽管这些方法在处理过程中表现出一定的有效性，但它们往往依赖于额外的化学物质，如磷酸盐缓冲液，以及后续处理技术以提高效率。
微生物燃料电池（MFCs）作为一种整合了多种科学和工程原理的技术，近年来受到了广泛关注。这些系统不仅能够有效去除有害污染物，还能通过耦合的还原-氧化反应产生电能。DMFCs利用微生物作为生物催化剂，将废水中的污染物转化为电能。特定的细菌，称为外电子生成菌（exoelectrogens），能够将化学能直接转化为电能。典型的DMFC系统包括阳极和阴极室，两者之间通过质子交换膜隔开，允许质子传输，同时通过外部电路连接。在阳极室中，有机底物被微生物降解，生成电子和质子，这一过程由微生物群落促进。电子从阳极通过外部电路流向阴极，在阴极处与质子和氧气反应生成水，从而实现电能的产生。由于其在去除有机污染物和产生电力方面的双重能力，DMFCs被越来越多地视为废水处理和可持续能源生产的一种实用技术。Abubackar等人展示了DMFC技术在酵母生产废水处理中的应用，实现了73%的化学需氧量（COD）去除率，同时产生了51.02 mW/m²的电力。DMFCs在处理各种工业废水方面也表现出色，包括电厂、造纸厂、米厂、乳制品厂和糖厂等。
尽管DMFCs在去除有机污染物方面表现出潜力，但该技术仍然面临一些实际应用中的挑战。主要问题包括电子转移机制的效率不高和电力生成的不足，这在很大程度上限制了其在实际应用中的可行性。改进阳极材料对于克服这些限制至关重要。设计良好的阳极可以为微生物的定植提供丰富的活性位点，并促进高效的胞外电子传递（EET），因此电极的改性是提升整个MFC性能的关键。有效的MFC阳极材料必须具备几个关键特性：高导电性、增强的电催化活性、适当的表面积以及良好的生物相容性。为了实现这些性能，研究人员已经探索了多种电极改性策略，包括引入纳米材料、聚合物、金属以及复合材料等。
过渡金属氧化物（TMOs）由于其卓越的催化性能、成本效益和丰富的储量，已成为阳极改性材料的有力候选者。其中，锰氧化物和钴氧化物已经显示出良好的应用前景。混合金属氧化物，特别是将锰和钴结合在一起的材料，表现出更优越的电化学性能，通过协同效应显著提高了能量和功率密度的生成。锰基化合物，如高锰酸钾和二氧化锰，对于有机底物的降解表现出出色的催化活性，有助于实现MFC运行所需的高效氧化过程。钴基催化剂则通过增加电极表面积、降低电子转移电阻以及提升电荷传输动力学，提供了互补的优势。钴的生物相容性和高电化学活性使其特别适用于阳极表面的改性，从而同时促进电化学和生物过程。将这些过渡金属进行战略性的结合，可以充分发挥锰的强氧化能力和钴的电化学增强特性，从而创造出性能优于单一金属系统的电极材料。然而，某些TMOs在应用过程中仍存在显著挑战。例如，MnO和Fe₂O₃由于相对较低的电导率和稳定性问题，限制了其实际应用；而Co₂O₃则表现出较高的电电阻。Schröder指出，电极改性不仅为微生物的生长提供了活性位点，还能够改善胞外电子传递（EET）。Gorby等人进一步证明，二氧化锰涂层的阳极能够作为电子受体，促进电极表面的地质细菌生长。
尽管这种结合过渡金属的方法在污染物去除和能源生成方面具有潜力，但目前针对使用MnCo₂O₄-CV电极的DMFC处理制药废水的研究仍较为有限。本研究引入了一种新的方法，利用这些特殊或改性电极在DMFC中处理制药废水。研究的主要目标包括：（1）评估有机负荷对系统性能的影响；（2）分析磷酸盐缓冲液对电力生成的增强作用；（3）通过16S rRNA基因测序对微生物群落进行表征；（4）评估系统在污染物去除和能源生产方面的效率，从而为高浓度工业废水处理提供可持续的解决方案。研究结果表明，在特定的有机负荷条件下，DMFC系统能够实现高效的污染物去除和电力生成，这为未来的废水处理技术提供了新的思路和方向。
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