综述：光催化与生物降解协同系统在环境修复中的应用

《Chinese Journal of Catalysis》：The application of photocatalysis and biodegradation synergistic systems in environmental remediation: A review

本综述系统阐述了紧密耦合光催化与生物降解（ICPB）系统和光催化微生物燃料电池（PMFCs）在难降解污染物治理中的协同机制与应用前景。文章深入解析了两种系统通过光催化产生可生化中间体（如ROS）、微生物利用光生电子（e–）等过程实现污染物高效矿化的通路，并总结了光催化剂（如g-C3N4/TiO2异质结）、生物膜载体优化策略及其在抗生素、染料等新兴污染物去除中的实践案例，为环境生物技术领域提供创新思路。

　　

Abstract

新兴污染物在环境中的日益增多推动了对新型处理技术的探索。光催化与生物降解的协同系统因其能克服单一技术的局限性而受到广泛关注。单一光催化过程存在反应快速且不可控的问题，易导致有毒副产物积累和过度氧化残留；而单纯依赖生物降解难以处理高浓度、复杂结构的新兴污染物。紧密耦合光催化与生物降解（ICPB）系统与光催化微生物燃料电池（PMFCs）整合了生物降解的彻底性和光催化的高效性，为污染物治理提供了经济、绿色且可持续的解决方案。本文深入分析了两种系统的污染物降解机制，总结了光催化剂、生物膜、载体/构型等方面的最新进展，并对比了其在污染物去除中的实际应用。同时，指出了当前面临的挑战（如光催化材料的商业化可行性不足），并对未来发展方向进行了展望。

Introduction

环境问题与人类社会发展密切相关，难降解污染物（如抗生素、染料、杀虫剂、多环芳烃和重金属）对生态系统和健康构成严重威胁。现有处理技术包括吸附、膜过滤、高级氧化、光催化、生物降解及电化学方法等。光催化技术因其绿色高效的特点被视为环境修复的重要途径，但单一光催化过程易产生过度氧化产物，且完全矿化成本高昂。生物降解虽具有成本低、环境友好等优势，但微生物对高浓度或结构复杂污染物的降解效率有限。早期光催化与生物降解的耦合多为顺序式处理，存在系统冗余和中间产物积累问题。ICPB系统通过将微生物负载于多孔载体内部、光催化剂涂覆于载体表面，实现了光催化与生物降解在同一反应器内的协同作用：载体表面的光催化反应将难降解污染物转化为可生化中间体，内部微生物进一步将其矿化，同时载体为微生物提供免受氧化剂损伤的保护。PMFCs系统则通过耦合光催化与微生物燃料电池，在降解污染物的同时实现能量回收，例如利用光生电子促进阴极反应，提升系统综合效能。两种系统在脱氮、脱氯、染料及抗生素去除等领域已展现出应用潜力。

Mechanisms of ICPB

ICPB系统的核心机制如图3(a)所示：多孔载体吸附污染物并使其迁移至光催化剂表面，光激发产生的反应性氧物种（ROS）如·OH和O₂^–可降解污染物为小分子中间体，这些中间体扩散至载体内部被微生物进一步代谢。微生物还可利用光生电子（e^–）增强自身代谢活性，优化菌群结构。载体结构（如海绵、陶瓷）不仅保障了微生物的富集与保护，还促进了物质传输与反应协同。

System configurations and optimization strategies for ICPB and PMFCs systems

ICPB系统的关键要素包括多孔载体（如纤维素、活性炭）、光催化剂（如TiO₂、g-C₃N₄基复合材料）和功能微生物（如Pseudomonadales）。载体需具备高比表面积和生物相容性，光催化剂需优化能带结构以增强可见光响应。PMFCs系统的构型主要包括单室或双室反应器，光催化剂修饰的阴极可抑制电子-空穴复合，提升降解与产电效率。系统优化需兼顾光催化材料活性、微生物群落适配性及反应器设计合理性。

Application of ICPB systems and PMFCs for pollutant removal

ICPB系统在文拉法辛降解中效率达92.7%，对磺胺嘧啶（SDZ）的去除率可达93.55%，并同步降低COD、TN和TP。PMFCs系统利用黑磷掺杂TiO₂纳米带降解羟氯喹，效率达73.7%；基于g-C₃N₄/CdS异质结的光阴极可有效处理硝呋醛。两种系统在抗生素、重金属还原及复杂废水处理中均表现出协同增强效应。

Conclusions and prospects

ICPB与PMFCs系统通过光催化-生物降解协同机制实现了污染物的高效矿化与能量回收，但仍面临光催化材料稳定性、载体传质效率及系统规模化应用等挑战。未来需开发高稳定性复合光催化剂、优化载体结构设计，并加强实际废水环境下的系统长期运行研究，以推动该技术的工程化应用。