• 分類：科研成果
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• 來源：廣州能源所
• 發布時間：2025-05-22 13:31
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【概要描述】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的生物質能生化轉化科研團隊，創新性地運用能量耦合策略，成功研發出一款新型“納米 - 生物雜化系統”。這一系統獨具匠心，它借助可見光輸入與微生物鐵腐蝕過程的協同驅動，精準調控水體中硝酸鹽的去除過程。尤為值得一提的是，在無需額外添加有機碳源的條件下，該系統展現出了卓越的硝酸鹽去除能力，其去除速率最高可達233.3 mg N/d/L。此項研究成果意義重大，為低碳生物脫氮領域提供了堅實的理論依據和有力的技術支撐。 研究圖文摘要 在廢水處理領域，低碳氮比廢水因電子供體匱乏，一直面臨著氮去除的難題。不過，以零價鐵作為電子供體為解決這一問題帶來了希望，利用零價鐵脫氮不僅安全性有保障，成本也相對較低。然而，反硝化菌的代謝途徑復雜多樣，微生物鐵氧化在其中所起的作用就像一個神秘的“黑箱”。當前，由于缺乏合適的模式菌株，且微生物獲取胞外電子的具體機理尚不明確，這一領域的研究受到了很大限制。 為了攻克上述難題，研究團隊精心構建了電活性菌希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）和反硝化菌銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的共培養體系。在該體系中，零價鐵作為唯一的電子供體，硝酸鹽則作為唯一的電子受體。團隊以此為切入點，深入探究“嗜鐵”反硝化的可行性以及其背后的反應機理。 研究有了令人振奮的發現：希瓦氏菌（S. oneidensis）宛如一臺高效的“生物引擎”，能夠收集鐵腐蝕過程中產生的電子，并將其釋放出來，供給銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）用于脫氮過程。此外，借助宏轉錄組學分析這一先進手段，研究團隊進一步揭示，在微生物電共生過程中，會調控編碼反硝化酶、胞內電子轉移蛋白以及群體感應相關基因的表達，而這些基因表達的調控對微生物脫氮過程起著至關重要的作用。 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。 論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122722 https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123780