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近日，中國科學(xué)院廣州能源研究所生物質(zhì)高值化利用研究中心生物質(zhì)能生化轉(zhuǎn)化科研團(tuán)隊(duì)利用能量耦合策略，設(shè)計(jì)出一種新型“納米-生物雜化系統(tǒng)”。該系統(tǒng)通過可見光輸入耦合微生物鐵腐蝕驅(qū)動(dòng)、調(diào)節(jié)水體硝酸鹽去除，在無額外有機(jī)碳源輸入下，硝酸鹽去除速率最高達(dá)233.3 mg N/d/L。相關(guān)成果為低碳生物脫氮領(lǐng)域提供了重要理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

研究圖文摘要

低碳氮比廢水由于缺乏電子供體難以實(shí)現(xiàn)氮去除。而以零價(jià)鐵作為電子供體可以實(shí)現(xiàn)脫氮，且該過程具有安全性高、成本低廉等優(yōu)勢。由于反硝化菌的代謝多樣性，微生物鐵氧化的作用始終是黑箱般的存在，目前受限于模式菌株的缺乏和獲取胞外電子機(jī)理未知。針對上述問題，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了電活性菌Shewanella oneidensis和反硝化菌Pseudomonas aeruginosa共培養(yǎng)體系，以零價(jià)鐵作為唯一電子供體，硝酸鹽作為唯一電子受體，探究了“嗜鐵”反硝化可行性及其反應(yīng)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)S. oneidensis菌可作為生物引擎，收集并釋放鐵腐蝕產(chǎn)生的電子，用于P. aeruginosa菌脫氮過程。宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析手段顯示，微生物電共生過程調(diào)控編碼反硝化酶、胞內(nèi)電子轉(zhuǎn)移蛋白以及群體感應(yīng)的基因表達(dá)，對微生物脫氮具有重要作用。

系統(tǒng)功能基因表達(dá)示意圖

在進(jìn)一步在可見光調(diào)控下（λ=395 nm），該體系實(shí)現(xiàn)了硝酸鹽的反硝化與異化還原為銨的雙路徑協(xié)同。研究發(fā)現(xiàn)在光照下通過S. oneidensis菌自組裝形成的FeS納米顆粒介導(dǎo)微生物電子跨膜傳遞，從而提升電子利用效率。該體系實(shí)現(xiàn)了平均63.8 mg N/d/L的硝酸鹽去除率，以及27.1%的銨氮回收效率。更重要的是，該系統(tǒng)還成功與實(shí)際污水活性污泥耦合，在模擬廢水中表現(xiàn)出優(yōu)異的脫氮（233.3 mg N/d/L），顯示出較強(qiáng)的工程應(yīng)用潛力。

種間電子傳遞過程中光電子、硝酸鹽利用路徑

以上研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)課題、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目以及廣東省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目資助。系列成果分別以Electric syntrophy-driven modulation of Fe⁰-dependent microbial denitrification和Light-regulated dentification and dissimilatory nitrate reduction by nano–bio electric syntrophic consortium為題，先后發(fā)表于環(huán)境領(lǐng)域頂刊Water Research。論文第一作者為高天宇特別研究助理，通訊作者為李穎研究員。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122722

https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123780