综述：电子穿梭体强化生物电化学系统脱氮性能：路径与机制

《Environmental Research》：Boosting Nitrogen Removal in Bioelectrochemical Systems via Electron Shuttles: Pathways and Mechanisms

本综述系统阐述了电子穿梭体（ESs）在生物电化学系统（BESs）介导胞外电子转移（EET）以强化脱氮过程中的核心作用。通过对比醌类/碳基/无机离子等外源ESs作用机制，提出电刺激/外源诱导/菌种筛选等内源ESs分泌强化策略，揭示其通过高标准还原电位（E0）促进反硝化、调控微生物群落及功能基因表达的双重浓度效应，为BES技术通过电子传递调控实现工程化应用提供理论支撑。

　　

电子穿梭体强化生物电化学系统脱氮性能：路径与机制

引言

氮作为蛋白质、核酸等生物分子的核心组分，其过量排放会导致水体富营养化等环境问题。生物电化学系统（BESs）凭借电活性微生物（EAMs）介导的胞外电子转移（EET）实现高效脱氮，但EET速率限制成为技术瓶颈。电子穿梭体（ESs）作为关键介质，通过介导电子转移（MET）突破直接电子转移（DET）的空间限制，尤其适用于复杂氮转化微生物群落。本综述构建了ESs强化脱氮的系统框架，为BES技术优化提供理论依据。

氮在BES中的去除路径

BES中氮的去除路径因电极位置而异：阴极主要发生反硝化、硝酸盐异化还原成铵（DNRA）和厌氧氨氧化（anammox），阳极则通过硝化作用将铵盐（NH₄⁺）转化为硝酸盐（NO₃^-）。ESs通过加速电子传递，显著提升这些路径的代谢效率。

ESs在脱氮BES中的作用

ESs根据来源分为内源性和外源性两类。内源ESs（如黄素、吩嗪）由EAMs自身分泌，生物相容性佳但产量低且不稳定；外源ESs（如醌类、碳材料、无机离子）可快速提升脱氮速率，但存在生物毒性及二次污染风险。研究表明，醌类ESs通过醌基团循环氧化还原，碳基ESs依靠表面官能团存储电子，无机离子（如Fe²⁺/Fe³⁺）则通过价态变化介导电子穿梭。

增强内源ESs分泌的策略

为突破内源ESs分泌不足的瓶颈，现有策略涵盖三方面：电刺激（如调控电极电位）可激活微生物代谢通路；外源ESs低浓度添加可诱导氧化应激反应，促进内源ESs合成；通过高通量筛选或基因工程手段选育高效分泌菌株，亦可显著提升ESs产量。

ESs介导脱氮的关键机制

ESs的标准还原电位（E⁰）是决定电子传递效率的关键因素，较高E⁰的ESs更易驱动反硝化过程。浓度效应上，低浓度ESs可刺激微生物生长及功能基因（如narG、nirS）表达，高浓度则抑制活性。此外，ESs通过调控微生物群落结构（如提升脱硫弧菌科、地杆菌科丰度），优化电子分配效率。

应用前景与挑战

尽管ESs强化脱氮BES前景广阔，仍面临外源ESs环境风险、内源ESs产量稳定性、ESs固定化技术等挑战。未来研究应聚焦绿色ESs开发、固定化策略优化、高性能菌株选育，以及通过DNRA路径实现氮资源回收。

结论

ESs通过高效介导EET显著提升BES脱氮性能。外源ESs需兼顾效率与环境友好性，内源ESs强化策略需结合多学科手段。通过理性设计ESs应用路径，BES技术有望在废水脱氮领域实现工程化突破。