在Thiobacillus denitrificans-CdS@碳毡体系中，光驱动的硝酸盐去除过程及光电子的捕获

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Light-driven nitrate removal and photoelectrons uptake in Thiobacillus denitrificans-CdS@carbon felt

　　

周振振|范宇欣|张慧|孙德志|党岩|刘新英

北京林业大学环境科学与工程学院，中国北京100083

摘要

光电异化脱氮（PEDeN）是在贫营养条件下处理含硝酸盐水体的有前景的方法。然而，其实际应用受到低硝酸盐去除率和高温室气体N?O排放量的限制。为了从根本上克服这些瓶颈，通过将光半导体CdS与脱氮菌株Thiobacillus denitrificans结合，并使用导电碳毡（CF）作为载体（T. denitrificans-CdS@CF），构建了一种新型的紧密耦合光催化和生物降解（ICPB）系统。采用一步水热法制备了球形CdS，并将其原位负载到CF上。在可见光照射下，CdS@CF的光电流与升高的前体Cd2?浓度呈正相关，在0.625-6.25 mmol/L范围内呈现线性关系。光电特性分析表明，来自外部CdS的光生电子可以通过导电CF传递到内部的T. denitrificans，从而实现光驱动的硝酸盐去除。在6.25 mmol/L的Cd2?前体浓度下，T. denitrificans-CdS@CF的硝酸盐去除率达到了2.12±0.06 mg/(L·h)，N?选择性达到了99.2±0.3%，显著优于之前的PEDeN系统。量子产率和法拉第效率分别达到了3.9±0.2%和90.5±1.2%。通过增加基因表达，推测细胞外光电子的跨膜传输是由外膜孔蛋白（OMP）与c型细胞色素（c-Cyt）耦合介导的。相关脱氮基因的上调进一步支持了高效的PEDeN过程。本研究开创了ICPB系统的“导电桥”架构，推进了对PEDeN处理含硝酸盐水体机制的理解及其实际应用。

引言

大多数污水处理厂（WWTPs）的出水仍含有相对较高的氮浓度（10-30 mg/L），主要以硝酸盐的形式存在[1]，[2]，[3]。这种回用水用于生态补水以及农业氮肥的不合理使用，都会导致水体中的硝酸盐污染，从而对环境和生态系统构成风险[4]。此外，人体内过量的硝酸盐及其还原产物（亚硝酸盐）可能诱发高铁血红蛋白血症并增加癌症风险[5]。因此，对于含硝酸盐的水体实施先进的氮去除技术至关重要。

与物理化学技术相比，生物脱氮因其成本效益和环境兼容性而更受青睐[6]，[7]。传统脱氮可以根据碳源类型分为异养和自养途径，分别利用有机和无机化合物作为电子供体。异养脱氮常常伴随着过多的污泥产生和残留有机污染的风险[8]，[9]。自养脱氮通过使用无机电子供体（如氢[10]、硫[11]、黄铁矿[12]）避免了这些缺点，但带来了新的问题，如溶解度低和二次硫酸盐/铁污染[9]，[13]。近年来，太阳能被广泛用作驱动光电异化脱氮（PEDeN）的绿色可持续能源[13]，[14]。一项开创性研究开发了一种自组装的生物杂化体（T. denitrificans-CdS），实现了约0.21 mgN/(L·h)的硝酸盐去除率[13]。然而，这些均质生物杂化体在实际应用中面临两个主要挑战：首先，光诱导的氧化应激（包括光生空穴和活性氧物种ROS）已被证明会损害代谢活动，特别是N?O的还原[15]，[16]，[17]，导致大量温室气体N?O的排放。其次，直接涂覆在细胞表面的光半导体限制了微生物的自我更新和增殖，使得持续运行变得不可行。

在之前的研究中，提出了一种紧密耦合的光催化和生物降解（ICPB）系统[18]。通过使用多孔载体，ICPB将外部光半导体与内部微生物空间分离。这种配置不仅保护微生物免受光诱导的氧化应激，还为生物膜生长提供了栖息地，从而确保了长期稳定性。然而，传统ICPB系统中的载体（如海绵、丝瓜络[18]，[19]，[20]）具有电绝缘性，这形成了电子屏障，阻碍了从外部到内部微生物的光电子直接传递。因此，这些系统的脱氮性能有限（例如，硝酸盐去除率仅为40.3%，N?选择性为86.3%[18]）。此外，混合微生物培养过程中光电子吸收的潜在机制仍然非常复杂且理解不足。

基于ICPB系统，通过使用导电材料作为光半导体和微生物的载体，预计可以显著增强内部微生物对光电子的吸收，从而提高整体脱氮效率。碳毡（CF）因其优异的孔隙率、化学稳定性和导电性而被广泛用于微生物电化学系统中的生物电极[21]，也是ICPB载体的理想候选材料。目前，大多数制备复合载体的方法需要先单独制备光半导体，然后再将其固定在基底载体上[18]，[20]，[22]，[23]。然而，这种方法增加了制备成本并使操作程序复杂化。因此，如何简化光半导体的制备并实现其在载体上的原位加载值得进一步探索。在光照下，光半导体在载体表面产生的光电子通过导电载体传递到其内部，其中产生的光电流被脱氮细菌利用。显然，光半导体在载体表面的负载量与生成的光电流密度密切相关，这需要揭示。此外，脱氮细菌对不同光电流的响应也需要研究。T. denitrificans是一种广泛分布的专性化能自养细菌，通过Calvin-Benson-Bassham循环固定无机碳[24]，[25]。值得注意的是，它是一种表征良好的电活性菌株，能够接受电极电子进行自养脱氮[26]，[27]。在这项研究中，选择它作为理想模型菌株，进一步探讨CF介导的ICPB系统中光电子的传递和吸收途径。

为了从根本上克服直接涂覆的生物杂化体中的光诱导氧化应激和传统ICPB系统中的电子传递屏障，我们使用导电碳毡作为载体，成功构建了一种新型ICPB系统（T. denitrificans-CdS@CF），能够在单个腔室内高效进行PEDeN。优化了光响应功能载体（CdS@CF）的制备过程，其中T. denitrificans被附着并生长。在可见光照射下，CdS在碳毡表面产生的光电子通过导电碳毡传递，并被内部的T. denitrificans用于脱氮。该系统实现了高效的硝酸盐去除，没有中间产物的积累，并显著减少了N?O的排放。通过基因表达分析，与硝酸盐还原和电子传递途径相关的关键基因显著上调，从而阐明了T. denitrificans-CdS@CF中PEDeN过程中的光电子传递和吸收的分子机制。这项研究提出了一种处理含硝酸盐水体的绿色且有前景的策略，在先进废水处理和地下水修复中具有广泛的应用潜力。

章节片段

CdS@CF的制备

CdS@CF的制备采用简单的一步水热法[28]，[29]进行。使用醋酸镉（Cd(CH?COO)?·2H?O）和硫脲（CH?N?S）作为CdS的前体，根据实验要求调整Cd与S的摩尔比为1:2、1:5和1:8。为了研究前体浓度的影响，使用了0.625、2.5、6.25、12.5和18.75 mmol/L的Cd2?浓度。例如，在12.5 mmol/L的前体Cd2?条件下

CdS@CF的制备

复合载体（CdS@CF）通过一步水热法成功制备。CdS在碳毡（CF）上的牢固固定是由界面化学相互作用驱动的，而不是弱物理吸附。先前的研究表明，原始CF表面普遍存在内在极性基团（如-OH、-COOH）[40]，[41]，这些基团可以在原位水热生长过程中作为强大的异质成核位点[28]。如图所示

结论

在这项研究中，成功构建了一种具有“导电桥”架构的新型ICPB系统（T. denitrificans-CdS@CF），有效克服了之前PEDeN系统中的光诱导氧化应激和电子传递屏障。T. denitrificans-CdS@CF表现出优异的硝酸盐去除性能，并实现了接近完美的N?选择性（99.2±0.3%），从而显著减少了N?O的排放并降低了环境风险。

CRediT作者贡献声明

孙德志：资源、方法论。张慧：验证。范宇欣：验证。周振振：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、研究、正式分析。刘新英：撰写——审稿与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取。党岩：验证、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性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（52300075, 52470026）和中央高校基本科研业务费（QNTD202506）的支持。