《Journal of Environmental Sciences》：Sustained Anaerobic Valorization of Refractory Wastewater into Bioenergy via Abiotic-Biotic Hybrid Systems: Unraveling Synergistic Hydrolysis and Optimized Interspecies Electron Transfer
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难降解废水处理中电化学活性材料（Mag/PC）通过催化水解和重构微生物电子传递网络显著提升连续流EGSB反应器的甲烷生产效率（COD去除率75.5%-67.0%，甲烷产量255-228 mL/(g VSS·day)）。机制涉及材料表面特性调控酶活性及跨菌种电子转移效率，并形成稳定的微生物共生体系。
许慧|黑胜强|杨光|傅万毅|张晓园|梁鹏|潘炳才|黄霞
中国南京大学环境学院，水污染控制与绿色资源循环利用国家重点实验室，南京210023
摘要
由于结构上的顽固性和热力学限制，难降解工业废水的厌氧消化（AD）仍然具有挑战性。虽然结合了电活性材料（EMs）的非生物-生物混合系统显示出潜力，但它们在系统层面的长期效果和机制，尤其是在实际工业废水流中的应用，尚未得到充分研究。本研究展示了使用磁铁矿（Mag）或热解碳（PC）改良的反应器在连续运行140天的过程中，对含有N,N-二甲基甲酰胺（DMF）的膜制造废水进行厌氧转化的效果提升。添加EMs的系统在有机负荷率为10.0 g COD/(L·day)时，COD去除率分别达到了75.5%或67.0%，甲烷产量分别为255 mL/(g VSS·day)或228 mL/(g VSS·day)，比对照组分别提高了88.5%或68.6%。这种提升源于EMs协同增强了酶促水解作用，分解了顽固的酰胺键和共轭结构，并更有效地重新定向了种间电子转移（IET）途径。磁铁矿在冲击负荷下表现出色，这得益于其导电的Fe(III/II)晶格；而热解碳在中等负荷下则利用了伪电容功能。微生物进化表明，EMs促进了水解/产酸菌群落和产甲烷菌的特异性定植。宏基因组重建显示，EMs增强了顽固键的断裂，将DMF的生物降解路径导向了由(dimethylamine)脱氢酶催化的水解途径，并促进了CO?还原/乙酸裂解型产甲烷过程。此外，EMs似乎通过跨膜氧化还原活性复合物重建了细胞内外的电子转移通道，增强了能量守恒和抗逆性，同时将电子从发酵过程引导至产甲烷过程。这些发现为将难降解废水转化为生物能源提供了可持续策略，并为非生物-生物系统中的微生物电子流重定向提供了见解。
引言
有效处理高浓度难降解工业废水对于实现环境可持续性和降低对人类健康的威胁至关重要（Sachs等人，2019年）。随着膜分离技术成为先进废水处理的关键技术，其全球市场规模从2024年的310.8亿美元预计增长到2034年的1009.3亿美元，这种技术的广泛应用产生了大量的膜制造废水。这些废水中含有N,N-二甲基甲酰胺（DMF），这种溶剂具有胚胎毒性、肝毒性和致畸性，其复杂的分子结构和生物毒性使得处理成为长期挑战（Wang等人，2020年）。现有的物理化学处理方法能耗高且化学要求严格，会导致严重的碳排放和有毒中间体的产生（Chen等人，2023年）。厌氧消化（AD）被认为是一种可持续的生物化学技术，可用于有机物的脱碳和能源回收，但其应用于难降解有机物处理时仍受到水解-酸化效率低下和产甲烷过程不稳定的限制（Liu等人，2025年；Pikaar等人，2022年；Van Steendam等人，2019年）。由于结构障碍导致的生物可利用性低，阻碍了酶促水解和向产酸过程的电子转移，而基于氢转移的产甲烷共生相互作用也面临热力学和动力学障碍（Nagarajan等人，2013年）。
最近的研究强调了非生物电活性材料（EMs）的潜力，它们通过触发强健的直接种间电子转移（DIET）途径来克服这些挑战，从而绕过了依赖扩散的代谢耦合（Cruz Viggi等人，2014年；Rotaru等人，2014a）。铁矿物（如磁铁矿、赤铁矿）和碳基材料（如热解碳、活性炭）因其电化学性质和生物相容性而显示出特别的前景（Martins等人，2018年；Masebinu等人，2019年；Wang等人，2024年；Wang等人，2021年）。许多研究，包括针对废活性污泥、焦炭和抗生素废水的研究，表明EMs可以促进顽固基团（如偶氮键、磺酸基团和硝基酚）的断裂，并破坏复杂结构，从而促进水解并优化种间电子转移（IET），从而改善产甲烷过程（Liu等人，2024a；Liu等人，2024c；Lv等人，2024年；Wang等人，2018年；Zhuang等人，2020年）。然而，大多数这些令人信服的证据来自使用合成或模拟废水进行的实验室规模短期批次实验。关于EMs在处理实际复杂工业废水时的长期、连续流动系统效果及其潜在机制，仍存在关键知识空白。对于含有DMF的膜制造废水而言，这一空白尤为突出。其厌氧处理面临与其他研究的难降解有机物不同的独特挑战：共振稳定的酰胺键（C–N）以及甲基取代和吸电子的羰基（C=O）带来的空间阻碍，形成了难以生物降解的结构屏障，而有毒的代谢中间体如二甲胺（DMA）和单甲基胺（MMA）加剧了生物转化的难度（Yang等人，2023b）。先前的研究表明，除非采用生物电化学微曝气策略、共培养厌氧-好氧菌群或厌氧反硝化系统，否则DMF在严格的厌氧条件下难以生物降解（Kong等人，2018年；Wang等人，2020年；Yang等人，2025年）。因此，目前尚不清楚外源EMs是否以及如何能够有效刺激这种实际工业废水的厌氧产甲烷过程，从而实现其顽固键的可持续断裂并影响相关的种间酶网络。
EMs改良的混合AD系统依赖于复杂的材料-微生物-有机物三重界面相互作用。铁矿物由于其导电性和异质Fe(III)/Fe(II)氧化还原循环，可以作为电子导体或氧化还原活性电池来介导IET（Wang等人，2018年；Xu等人，2024a；Zhang等人，2023b），同时通过Fe2?辅因子激活促进酶促水解。碳基材料提供了适合底物附着和微生物定植的兼容表面和多孔结构，通过含有氧功能团的sp2杂化基质或石墨结构作为生物导体或生物伪电容器来促进IET（Bu等人，2021年；Lei等人，2019年；Xu等人，2025年）。这些机制可能通过促进DMF水解为生物可利用的中间体（如DMA、MMA和甲酸酯）来协同克服其有机到能量的顽固性，这些中间体理论上可以通过甲基营养或氢营养途径转化为甲烷（Kong等人，2018年）。然而，验证这些机制及其可持续性需要超出批次实验的进一步研究，特别是通过长期连续实验来捕捉微生物生态演化和系统韧性。此外，关于EMs重新连接的互利菌群的演化和互连性，尤其是专门降解顽固污染物的菌群和活性IET共生体，目前的研究还很有限（Feng等人，2024年；Su等人，2025年；Zhao等人，2024年；Zhao等人，2020年）。此外，关于长期非生物-生物网络中难降解碳流的代谢网络、特定解毒途径和重建的细胞内外电子传输通道，仍存在关键知识空白（Jing等人，2016年；Li等人，2023年；Liang等人，2023年；Wang等人，2022年）。
为了解决这些空白，我们构建了集成EMs、磁铁矿（Mag）和热解碳（PC）的140天连续膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器，用于难降解膜制造废水的厌氧转化和能源回收。主要目标是：（i）评估非生物-生物混合AD系统在实现能源回收生物降解方面的长期系统效果；（ii）阐明与IET相关的难降解基团的厌氧分解和生物能源转化的潜在机制；（iii）解析在EMs调控下的相关微生物群落结构演化、代谢网络重连和跨膜电子传输通道的重建。通过将反应器性能与宏基因组分析相关联，我们旨在提供关于过程增强的酶学和遗传驱动因素的基本见解。我们的发现有望推进从模拟条件到实际工业应用中EMs增强型非生物-生物AD系统的理解，为跨行业处理结构相似的难降解污染物的碳中和技术提供可操作的策略。
部分摘录
长期连续流动EGSB反应器的启动和运行
磁铁矿（Mag）和热解碳（PC）的合成和详细表征见附录A中的Text S1和Text S2。EGSB反应器由有机玻璃制成，有效体积约为500 mL（附录A Fig. S1）。其结构和操作模式详见Text S3。来自中国Origin Water Co., Ltd.的膜制造废水在用高纯度N?脱氧后被选为难降解的有机碳源，COD和BOD?的浓度分别为
非生物EMs的表征
磁铁矿（Mag）和热解碳（PC）的表面结构特征对其电化学性质和介导能力有显著影响（Xu等人，2025年）。磁铁矿的X射线衍射（XRD）图案与Fe?O?的标准参考样品一致，显示出反尖晶石相等的晶体微观形态（Fig. 1a），X射线光电子能谱（XPS）进一步验证了Fe(II)和Fe(III)的存在，比例为0.65（Fig. 1b和附录A Fig. S3）。傅里叶变换
结论
本研究证明，EMs改良的混合AD系统通过协同耦合非生物-生物相互作用，有效克服了实际含有DMF的难降解废水的生物转化障碍。该系统通过EMs介导的催化水解作用，高效地实现了长期厌氧转化和生物能源回收，优化了从水解产酸菌到产甲烷菌的电子转移过程。材料特有的结构性质对此起到了关键作用
附录A 补充数据
与本文相关的补充数据可在在线版本xxxxxx中找到。
CRediT作者贡献声明
许慧：撰写——原始草案、软件、方法论、调查、数据分析、概念化。黑胜强：方法论。杨光：资源。傅万毅：撰写——审稿与编辑。张晓园：监督。梁鹏：监督。潘炳才：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取。黄霞：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、项目管理、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号22406086）、中国国家重点研发计划（编号2022YFC3203103）和江苏省优秀博士后人才资助计划（编号2024ZB691）的支持。
