生物炭/石墨烯修饰的反硝化生物阴极在处理低碳氮比废水时对氮去除效率的提升机制

《Journal of Environmental Management》：Nitrogen removal enhancement mechanism of Biochar/GO-modified denitrifying biocathode treating low C/N ratio wastewater

通过化学测试及微生物群落功能潜势分析，发现核桃壳生物炭/石墨氧化物复合电极可将低C/N（3）废水中的硝态氮去除效率提升至96.40±4.48%，总氮去除率达70.19±13.29%，最大电压达124.91±7.38mV。FTIR和SEM显示表面富含醌类和酚羟基官能团，增强电子传递能力（EAC达932.39μmol/g?1），并促进脱氮菌群（如Thauera、Geobacter）富集，KEGG分析证实电子传递通路（如泛醌合成、菌毛组装）及关键脱氮基因（narG、nirS、nod）丰度显著提高。

　　

Kuihai Li|Shuai Liu|Zhimin Fu

内蒙古污染控制与低碳资源利用重点实验室，中国呼和浩特市，010021

摘要

本研究通过化学测试和微生物群落的功能潜力预测分析，探讨了核桃壳生物炭/氧化石墨烯（GO）改性电极在微生物燃料电池反硝化阴极中增强氮去除的效果。研究发现，BC180组对NO₃^?-N的去除效率达到了96.40 ± 4.48%，总氮（TN）去除效率为70.19 ± 13.29%，显著优于对照组（CC）和其他负载组。此外，其平均最大电压（124.91 ± 7.38 mV）也高于其他组。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）分析表明，生物炭表面丰富的氧化还原活性官能团（酚羟基、醌类）显著提升了阴极的电子受体能力（932.39 μmol g^?1），并促进了微生物的富集。同时，生物炭/GO还改善了改性电极的电化学性能。高通量测序分析显示，生物炭/GO改性增强了多种反硝化细菌的富集。在阳极处，典型电活性细菌（Thauera、Geobacter）的相对丰度也有所增加。KEGG通路分析表明，与电子转移相关的通路（铁载体非核糖体肽的生物合成、泛醌、鞭毛组装）以及参与氮代谢的关键基因（narG、nirS和nod）在BC180组中的相对丰度均有所增加。这些研究结果表明，生物炭/GO可以通过调节微生物群落和电子转移通路，有效促进硝酸盐的还原，为低碳氮比条件下的反硝化优化提供了新的策略。

引言

人类活动导致大量生物活性氮进入生态系统，极大地影响了氮的生物地球化学循环，引发了包括地表水富营养化、严重的地下水污染和饮用水健康风险在内的全球性污染问题（McDowell等人，2025年；Udeshani等人，2025年）。活性氮，尤其是硝酸盐，来源于多种途径（化肥使用、牲畜粪便、垃圾填埋场渗滤液、工业排放和污水处理不足），由于其化学稳定性和高迁移性，成为了一个重要的国际环境问题（Udeshani等人，2025年）。现有的硝酸盐去除技术包括物理方法（吸附、离子交换等）、化学方法（电化学还原、化学还原等）和生物方法，其中生物反硝化技术因其高效、经济和环保性而被广泛使用（Li等人，2023年，2025年）。然而，传统的异养生物反硝化过程依赖于一系列酶促反应将硝酸盐完全还原为氮气（N₂），能耗较高（Xu等人，2025年）。为了维持高硝酸盐去除效率，需要大量的碳源，这可能导致有机残留物的积累和成本增加（尤其是在低碳氮比的废水中）（Choi等人，2025年；Li等人，2024年）。因此，迫切需要新的方法来提高低碳环境中的氮去除效率。

电活性细菌（EAB）被用于生物电化学系统（BES），如微生物燃料电池（MFC）和微生物电解池（MEC），在阳极中降解有机物并将电子传输到生物阴极，在那里硝酸盐通过一系列酶（NAR、NIR、NOR、NOS）的催化作用逐渐还原为N₂（Nguyen和Babel，2023年）。MFC作为一种潜在的可持续技术，能够同时回收能量（Bhattacharya和Chatterjee，2024年），因此被广泛用于废水中的硝酸盐去除。通常，在阴极中培养EAB（例如Geobacter）和自养反硝化细菌（Thiobacillus、Hydrogenophaga）有助于硝酸盐的去除（Rogińska等人，2023年）。然而，BES中的自养反硝化过程硝酸盐去除率相对较低（Rogińska等人，2023年；Xiao等人，2021年）。提高氮去除率可以通过两种方式实现：一是结合BES过程中的异养反硝化（Cheng等人，2022年）；二是促进阴极室内的电子转移（使用导电材料修饰电极）（Yang等人，2024年）。由于异养反硝化代谢模式支持较高的生长速率（Ghafari等人，2008年），而电极与细菌之间的低速率细胞外电子转移（EET）限制了BES的性能（Lin等人，2025年）。

目前，常用的碳基材料（如石墨棒、碳刷和碳毡）是最广泛的电极材料（Cui等人，2018年；Luo等人，2020年）。但其较差的导电性限制了MFC在实际应用中的氮去除效率（Yang等人，2024年）。修改阴极材料已被证明可以改善电子传输。氧化石墨烯（GO）因其超高的比表面积、无能隙和自由电子迁移性而受到广泛关注（ElMekawy等人，2017年；Yuan和He，2015年）。Chen等人（2022年）合成了COF-300@NiAl-LDH/GO阴极催化剂，提高了MFC的最大功率密度。生物炭具有高表面粗糙度和优异的生物相容性，是另一种流行的改性材料（Zhang等人，2022年）。此前，Zhou等人（2021年）使用硝酸活化的藻类生物炭促进了BES生物阴极中的氢营养反硝化，其反硝化速率几乎是对照组的三倍。添加生物炭有助于防止GO的聚集，提供结构分离并增强离子扩散途径，最终提高电容值（Kalderis等人，2025年）。尽管生物炭/GO复合材料逐渐受到关注，但关于生物炭/GO复合电极在生物阴极反硝化中的应用研究仍有限。

先前的研究表明，在部分反硝化/厌氧氨氧化（anammox）过程（Li等人，2022年）或生物阴极中的氢营养反硝化（Zhou等人，2021年）中添加生物炭可以通过加速微生物电子传输来增强反硝化微生物的代谢。生物炭刺激微生物分泌氧化还原活性细胞外蛋白，如细胞色素c和黄素，这些蛋白作为电子穿梭载体加速细胞外电子转移（EET）（Yang等人，2022年）。此外，生物炭/GO的高导电性和其表面官能团（包括醌类（C=O）和酚类（C-OH）促进了通过菌毛或膜接触的直接电子转移（Li等人，2020年；Xu等人，2019年）。此外，在反硝化生物阴极中还发现了基于氢化酶（H₂ase）和细胞色素c的直接电子转移（Lin等人，2025年）。然而，生物炭/GO改性生物阴极处理低碳氮比废水的作用机制尚不完全清楚。

由核桃壳制成的生物炭是一种农业废弃物，具有丰富的多孔结构和表面官能团，有利于微生物附着和电子传输（Hu等人，2024年；Yin等人，2019年）。本研究评估了核桃壳衍生生物炭作为MFC阴极改性剂的可行性，以提高细胞外电子传输效率，从而实现低C/N废水（C/N = 3）中的高效氮去除。此外，该研究还探讨了生物炭/GO在阴极上的负载对污染物去除和生物发电的影响，并通过微生物群落和功能途径分析揭示了其作用机制。本研究的具体目标是：（a）制备和表征核桃壳衍生生物炭；（b）确定生物炭/GO负载对NO₃^?-N去除、发电量和微生物群落组成的影响；（c）通过KEGG和COG分析阐明微生物代谢途径的机制。

部分内容

生物炭/GO改性电极的制备

从市场上购买的核桃去皮并用去离子水清洗，确保内部没有核桃仁残留。核桃壳在105°C下空气干燥2小时，然后在粉碎机中粉碎至<1毫米（FW100，Taisite，天津，中国）10分钟。收集的颗粒在管式电阻炉（SCG1200，合肥科晶材料技术有限公司，合肥，中国）中，在99.9%的氮气流量下热解碳化。炉子加热至600°C

生物炭和改性电极的物理化学表征

显微镜结果显示，BC90、BC180和BC270表面观察到生物炭/GO的附着，且随着涂层量的增加，覆盖厚度逐渐增加（图S2）。这可能堵塞了纯碳毡的孔隙，增加了质量传递阻力。SEM显示，BC180的表面与生物炭本身（图1a）一样粗糙且多孔（图1c），而对照组（CC）的表面则较为光滑（图1b），这可能有利于微生物的附着

结论

核桃壳生物炭/GO改性显著提升了MFC在低C/N废水（C/N = 3）中的性能。优化的生物炭/GO负载实现了高NO₃^?-N（96.40 ± 4.48%）和TN（70.19 ± 13.29%）去除效率，最大电压为124.91 ± 7.38 mV。这种增强效果源于生物炭/GO表面官能团改善了阴极的电子受体能力和电化学性能。同时，改性还重塑了微生物群落

CRediT作者贡献声明

Kuihai Li：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，形式分析，数据管理。Shuai Liu：方法学，研究，形式分析，数据管理，概念化。Zhimin Fu：撰写 – 审稿与编辑，验证，项目管理，资金获取，形式分析。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号22366029）和内蒙古自治区自然科学基金（编号2020MS05020）的支持。

利益冲突声明

作者声明与本文内容无关的任何利益冲突。