在生物光降解系统中增强4-溴酚的去除和矿化作用：微生物相互作用的关键作用

《Journal of Environmental Sciences》：Enhanced 4-bromophenol removal and mineralization in bio-photodegradation system: the key role of microbial interactions

生物光催化降解溴苯酚及其微生物协同机制研究，采用B掺杂g-C3N4/BiVO4构建Z型异质结光催化剂，通过不同厚度载体探究微生物富集与协同作用对4-BP降解的影响。 thicker载体促进功能菌群富集与正互作，光生电子增强活性氧生成并作为电子供体加速溴解，PICRUSt2和共现网络分析验证菌群协同机制，提出光-微生协同降解新范式。

　　在当前的工业生产过程中，卤酚类化合物因其广泛的用途而被大量使用，这些化合物不仅对环境造成了严重威胁，也对人类健康构成了潜在风险。卤酚，作为一类含有卤素原子的芳香环化合物，具有较强的稳定性，难以被常规的物理或化学方法有效降解。其毒性特征，包括致癌性、致畸性和致突变性，使得卤酚污染成为全球环境治理中亟需解决的问题之一。因此，寻找一种高效、经济且环境友好的处理方法显得尤为重要。

在众多处理技术中，生物光降解技术因其对环境的友好性和处理过程的可持续性，逐渐受到关注。这种技术结合了光催化和微生物降解的双重优势，利用半导体材料在光照条件下产生的电子-空穴对，为微生物提供额外的电子供体，从而促进卤酚的降解过程。光催化反应产生的电子不仅能够直接参与卤酚的氧化还原反应，还能够通过一系列的中间反应，生成具有强氧化能力的活性物质，如超氧自由基，进一步加速污染物的分解。与此同时，微生物在降解过程中也能通过自身的代谢活动，为光催化反应提供所需的电子供体，形成一种协同效应。

然而，传统的生物光降解系统在处理卤酚废水时仍然存在一些局限性。一方面，单一菌种的生物光降解系统往往难以实现高效的降解效果，因为不同微生物之间缺乏功能互补性和代谢协同性。另一方面，即使在某些条件下，微生物的代谢活动也会受到卤酚高毒性的抑制，从而影响其降解效率。此外，一些卤酚的还原中间产物或最终产物，如酚类化合物，虽然毒性有所降低，但仍可能对环境造成持续危害，因此需要进一步的降解处理。

为了克服这些限制，本研究提出了一种基于B掺杂的g-C?N?/BiVO?半导体材料的生物光降解系统。这种材料具有较高的催化活性、无毒性和良好的稳定性，能够有效促进电子-空穴对的生成，并通过其独特的Z型异质结结构，增强电子与空穴的分离效率，从而提高光催化反应的效率。此外，B掺杂不仅提升了半导体的光响应性能，还优化了其表面结构，为微生物的附着和生长提供了有利条件。

在实验设计中，我们采用了不同厚度的载体材料，以探讨其对生物光降解系统性能的影响。结果表明，较厚的载体能够提供更多的微生物附着位点，促进微生物的富集，从而增强不同功能微生物之间的相互作用。这种微生物之间的正向相互作用，被认为是提升生物光降解效率的重要因素。通过微生物群落分析，我们发现，随着载体厚度的增加，与卤酚降解和电子传递相关的功能物种的富集程度也随之提高，这表明了微生物群落结构对降解效率的直接影响。

同时，基于Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States 2（PICRUSt2）分析，我们观察到与卤酚降解和电子传递相关的功能基因表达水平显著上升，进一步支持了微生物群落结构优化对降解效率的促进作用。此外，微生物共现网络分析揭示了不同物种之间的正向相互作用是提升生物光降解性能的关键因素。这些相互作用可能包括共生关系、代谢协同或电子传递等，从而形成一个高效的降解网络。

本研究通过构建不同厚度的载体材料，成功实现了对4-溴酚（4-BP）的高效生物光降解。这一成果不仅为卤酚废水的处理提供了一种新的思路，也为其他难降解有机污染物的生物光降解技术奠定了基础。此外，本研究还强调了微生物群落结构优化在生物光降解系统中的重要性，表明通过合理的载体设计和微生物富集，可以显著提升系统的降解能力。

在实际应用中，这种生物光降解技术具有广阔的发展前景。它不仅能够有效去除卤酚类污染物，还能通过微生物的代谢活动，实现对污染物的完全矿化，从而减少二次污染的风险。此外，该技术在运行过程中所需的能耗较低，且能够实现资源的循环利用，符合可持续发展的理念。因此，未来的研究可以进一步探索该技术在不同废水处理场景中的适用性，并优化其运行参数，以实现更高效、更经济的污染物去除效果。

综上所述，本研究通过引入B掺杂的g-C?N?/BiVO?半导体材料，并结合不同厚度的载体设计，成功构建了一种高效的生物光降解系统。该系统不仅能够显著提升4-BP的降解效率，还揭示了微生物群落结构和相互作用在降解过程中的关键作用。这些发现为卤酚废水的处理提供了新的技术支持，并为未来的研究和应用奠定了坚实的基础。