《Bioresource Technology》：Electric field drives assimilation enhancement and deterministic assembly in algae-bacteria symbiosis for enhanced aniline biodegradation
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藻菌共生系统在电场增强下高效处理高浓度苯胺废水，TN去除率达82.5%，提升14.6%。电化学氧化增强60%，外源电子传递提升EET效率，电极生物膜吸附促进蓝藻富集，细菌同化贡献增3.2%，藻类增6.5%。环境过滤强化微生物组装，电场使异质选择强度提升47.7%。
林冰|张倩|刘向宇|吴南平|王红宇|季斌
中山大学环境科学与工程学院，中国广东省广州市510006
摘要
藻类-细菌共生系统（ABS）在实际应用于高浓度苯胺废水处理时，受到运行稳定性和污染物去除效率的限制。为了解决这些问题，开发了一种电增强型ABS系统（E-ABS），该系统利用弱电场来调节微生物生态过程。E-ABS成功实现了苯胺的完全高效降解，平均总氮（TN）去除率为82.5%，比传统ABS高出14.6%。电化学分析显示，电化学氧化效率提高了60.0%，这得益于电活性微生物与小球藻之间的增强型细胞外电子转移（EET）。电极刺激改变了微生物群落结构，使得阳极生物膜中的电活性微生物（Thauera）和反硝化菌（Saccharimonadales, TM7a）得到富集。环境过滤对E-ABS中的微生物组装具有更强的控制作用，电场进一步放大了这种选择性差异（|βNTI| = 3.5），增加了47.7%。15N同位素追踪证实，污染物去除效果的增强源于电极生物膜的吸附作用以及电场刺激，使得小球藻的富集程度提高了3.2%，细菌和藻类的同化贡献分别提高了6.5%。本研究阐明了弱电场下藻类-细菌相互作用的调控机制，为苯胺废水处理提供了一种可持续的策略。
引言
苯胺是一种高毒性的芳香胺化合物，在制药、染料和石化制造领域中作为关键中间体。在石化行业中，它不仅是重要的精炼中间体，还是合成二苯基二异氰酸酯（MDI）的基础前体（Ae Lim等人，2024年）。基于MDI的材料，如环保涂料和合成皮革，现已广泛应用于现代工业。尽管苯胺在工业上不可或缺，但它对环境和公共健康构成了严重威胁。最近的毒理学评估证实了其致癌性、生物累积潜力以及对水生生态系统的致突变作用，即使在微量浓度（μg/L）下也会产生有害影响（Sharma & Chadha，2023年）。欧洲化学品管理局还指出，苯胺能够干扰血红蛋白的氧气运输，导致全身性缺氧，急性毒性在低至1克的剂量下就能显现（Ferreiro等人，2019年）。由于其芳香结构的稳定性，苯胺在环境中的持久性更加严重。
目前针对苯胺污染的修复策略仍存在固有局限性。传统的物理化学方法会产生二次污染且能耗较高，而生物强化技术则面临维持功能性菌株存活率的挑战。例如，经过工程改造的Rhodococcus erythropolis菌株表现出较高的苯胺去除效率（90.0%）和NH4+-N消除率（98.9%），但其应用受到水平基因转移风险的阻碍（Bai等人，2025年）。同样，微生物电解-Fenton混合系统虽然实现了显著的矿化率（93.1 ± 1.2%），但资本成本过高（丹麦为5544欧元/立方米），限制了其可扩展性（Li等人，2017年）。这些缺点凸显了苯胺生物降解中的一个核心挑战：如何在处理效果、经济可行性和生态安全性之间找到平衡。为了解决这两个瓶颈，开发出具有能量自给自足、运行稳定性和最小生态干扰的创新生物强化系统成为研究前沿。
藻类-细菌共生系统（ABS）最早由Oswald William在1967年提出（Golueke等人，1967年）。细菌和藻类之间的互利物质交换建立了互惠的生态伙伴关系（Huang等人，2025年）。微藻通过光合作用产生氧气，避免了耗能高的曝气过程，而细菌通过消耗溶解氧并分泌促进生长的辅因子（如生物素、钴胺素、硫胺素）来提高资源利用效率（Kishi等人，2023年）。在碳和氮转化方面，微藻将CO2转化为有机物进行储存，多物种氮代谢协同提高了氮去除效率（Du等人，2025年）。这种生态互补性使ABS成为实现碳中和废水处理的平台。近期研究强调了该系统在苯胺修复方面的潜力。（Chen等人，2024年）证明了ABS能够同时降解苯胺并去除氮；（He等人，2025年）在高苯胺浓度（600.0 mg/L）下实现了持续的氮去除和曝气能耗的降低。然而，高浓度的苯胺会抑制底物传输，延缓反应启动，同时苯胺的生物毒性会破坏絮体稳定性和形成。
为了克服这些限制，将藻类-细菌联合体与电刺激生物反应器结合成为了一种变革性策略。例如，弱电场增强型系统促进了藻类和细菌之间的动态协同作用。藻细胞有效吸收电化学产生的氮化合物（Oon等人，2025年），而光合作用产生的氧气促进了阴极还原反应，形成了协同的污染物去除机制（Luo等人，2018年）。值得注意的是，电刺激加速了物种间的代谢物交换，减少了毒物的滞留，并减轻了生物催化抑制。同时，在电场作用下，细菌产生的生物絮凝剂（如细胞外聚合物物质（EPS）和蛋白质）促进了强大的藻类-细菌絮体形成（Oon等人，2025年）。这种电生物学耦合不仅解决了传统ABS的固有瓶颈，还开创了节能、自维持的苯胺处理方法。
在弱电场刺激下优化ABS性能，精确调控微生物生态过程至关重要。微藻通过吸收铵离子进行固氮，而反硝化菌通过铵氧化竞争无机氮，形成了动态的营养竞争网络（Cho等人，2022年）。这种相互作用增加了系统的复杂性和不确定性。目前，弱电场如何增强深度反硝化作用、其对生态过程的定量影响及其在固氮中的作用仍不清楚。为了解决这些问题，开发了一种电增强型ABS系统（E-ABS）来研究弱电场驱动的固氮机制。结合电化学表征和微生物酶活性分析，采用了包含系统发育（bMPD）和分类学（RCbray）多样性的零模型来解析群落组装机制（Ning等人，2020年）。基于Levins指数的生态位重叠指数（NOI）量化了微生物对环境梯度和物种间竞争强度的响应策略。最后，使用15N同位素追踪技术量化了电极生物膜对藻类-细菌协同固氮的定量贡献。本研究旨在：（1）揭示苯胺降解和氮去除通过电化学氧化-生物固氮耦合的分子机制；（2）量化固氮的贡献并阐明电场增强固氮途径；（3）揭示电场刺激下的生态过程变化和微生物群落重构。本研究为下一代苯胺污染物处理生物强化策略提供了基础性见解。
反应器设置和苯胺废水
本研究使用了两个工作体积为2.0升的圆柱形序批反应器（SBRs）（图S1）。含有合成苯胺的废水（具体成分见表S1）在受控光照条件下进行处理，小球藻通过外部LED阵列进行光照，光照强度为80 μmol/(m2·s）。实验中使用了碳刷电极（直径3.0厘米，总长度15.0厘米，电极间距7.0厘米）。
宏观流出物分析
第一阶段的结果见补充材料（图S2和文本S1）。污泥适应后，两个系统在第二阶段操作期间几乎完全降解了苯胺（去除率超过99%）（图1a,b）。ABS、EBS和E-ABS的化学需氧量（COD）去除效率均超过95%，略高于CG（94.1%）。这一结果表明，外部电场和小球藻的整合在促进有机物矿化方面发挥了协同作用。
结论
本研究提出了一种用于高浓度苯胺废水处理的E-ABS系统，阐明了弱电场如何调节藻类-细菌相互作用和群落组装。虽然所有系统都能降解苯胺，但氮去除效率呈现出明显的层次结构：E-ABS（82.6%）> EBS（75.5%）> ABS（67.7%）> CG（61.3%）。扫描电子显微镜观察发现，E-ABS中的细菌-藻类聚集体更为密集，尤其是在电极生物膜上。电化学分析进一步证实了这一现象。
CRediT作者贡献声明
林冰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，方法学设计，实验设计，数据管理，概念构思。张倩：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资金获取。刘向宇：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证。吴南平：撰写 – 审稿与编辑，可视化。王红宇：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证。季斌：撰写 – 审稿与编辑，可视化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了武汉理工大学三亚科技教育创新园开放项目的资助（项目编号2022KF0005）。
