利用废弃源材料解锁紫色光养细菌在微生物电化学系统中的潜力：基于水热炭的功能电极构建与协同增效机制

本研究创新性地将水热碳化（HTC）技术转化的固体废弃物衍生材料（HySludge等）作为功能电活性碳材料，应用于紫色光养细菌（PPB）构建的微生物电化学系统（MES）。结果表明污泥衍生水热炭（HySludge）在极化/非极化条件下均能促进PPB生长、强化胞外电子转移（EET），并显著提升乙酸（95.2%）和NH4+（91.9%）去除率，为低电导率碳材料在MES中的定向应用提供了新范式。

　　

Highlight

本研究通过将废弃生物质经水热碳化（HydroThermal Carbonization, HTC）转化为功能电活性材料（HySludge、HyGreen、HyOrange），并应用于紫色光养细菌（Purple Phototrophic Bacteria, PPB）构建的微生物电化学系统（Microbial Electrochemical System, MES），系统评估了这些材料在极化与非极化条件下对PPB生长、电化学反应及微生物群落结构的影响。研究聚焦三大核心问题：水热炭能否作为PPB与电活性细菌（Electroactive Bacteria, EAB）的附着与电子交换平台；低电导率材料能否通过表面官能团实现有效胞外电子转移（Extracellular Electron Transfer, EET）；以及水热炭在光驱动条件下是否可激发电子输出行为。

微生物接种物与培养

实验采用PPB混合菌种，源自西班牙马德里雷胡安卡洛斯大学中试污水处理厂的废水样本。菌种在红外光照与厌氧条件下采用Ormerod等人配方的营养液进行富集培养，初始pH为6.80，以乙酸为碳源、氯化铵为氮源。

PPB在吸光度基础上的生长响应

在红外光照下，PPB在不同材料上表现出差异化生长行为（见表1与图1）。如图1(a)所示，Graphite、HySludge与HyGreen均支持PPB生长并积累细菌叶绿素a（BChl a）与类胡萝卜素——这些都是PPB光捕获复合体的关键色素。尤其HySludge体系在7天培养期内表现出最高的BChl a特异性吸收峰值（Q_x波段位于~590 nm与~800 nm），表明其更利于光敏色素的合成。相比之下，HyOrange体系可能因表面物化性质或溶出物质抑制了PPB生长，导致吸光度显著偏低。

结论

本研究证明HTC污泥衍生材料HySludge能作为MES阳极促进PPB生长并调控电子转移过程。在非极化条件下，HySludge系统对乙酸和NH₄⁺的去除率分别达95.2%与91.9%。其多孔结构与表面醌类官能团为PPB提供了良好的附着与营养环境，显著富集了Rhodopseudomonas属菌群。通过施加极化电位，进一步强化了光 Electroactive Bacteria与EAB的协同共生，实现了乙酸与NH₄⁺的完全去除，并产生1.6 A/m3的电流密度与1.1%的库伦效率。尽管其电导率低于Graphite，HySludge仍表现出优异的电化学功能性与生物相容性，可作为传统电极材料的可持续替代品。