近日，中國科學院廣州能源研究所生物質高值化利用研究中心生物質能生化轉化科研團隊利用能量耦合策略，設計出一種新型“納米-生物雜化系統”。該系統通過可見光輸入耦合微生物鐵腐蝕驅動、調節水體硝酸鹽去除，在無額外有機碳源輸入下，硝酸鹽去除速率最高達233.3 mg N/d/L。相關成果為低碳生物脫氮領域提供了重要理論依據和技術支撐。
研究圖文摘要
低碳氮比廢水由于缺乏電子供體難以實現氮去除。而以零價鐵作為電子供體可以實現脫氮，且該過程具有安全性高、成本低廉等優勢。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理未知。針對上述問題，研究團隊構建了電活性菌Shewanella oneidensis和反硝化菌Pseudomonas aeruginosa共培養體系，以零價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機理。研究發現S. oneidensis菌可作為生物引擎，收集并釋放鐵腐蝕產生的電子，用于P. aeruginosa菌脫氮過程。宏轉錄組學分析手段顯示，微生物電共生過程調控編碼反硝化酶、胞內電子轉移蛋白以及群體感應的基因表達，對微生物脫氮具有重要作用。
系統功能基因表達示意圖
在進一步在可見光調控下（λ=395 nm），該體系實現了硝酸鹽的反硝化與異化還原為銨的雙路徑協同。研究發現在光照下通過S. oneidensis菌自組裝形成的FeS納米顆粒介導微生物電子跨膜傳遞，從而提升電子利用效率。該體系實現了平均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，該系統還成功與實際污水活性污泥耦合，在模擬廢水中表現出優異的脫氮（233.3 mg N/d/L），顯示出較強的工程應用潛力。
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研發課題、國家自然科學基金青年項目以及廣東省自然科學基金杰出青年項目資助。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，先后發表于環境領域頂刊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。
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