掀起波澜：利用电活性微生物高效且可持续地去除污水处理厂中的新兴污染物

《Water Research》：Making Waves: Harnessing Electroactive Microorganisms for Efficient and Sustainable Removal of Emerging Contaminants in Wastewater Treatment Plants

新兴污染物处理中电活性微生物驱动的电子贸易机制研究提出利用电活性微生物（EAMs）在厌氧区氧化有机物并释放电子，通过外部电路将电子传输至好氧区驱动氧还原反应生成过氧化氢，实现高效低耗的污染物处理。整合现有污水处理设施，该机制将污染物去除与能源回收结合，为碳中和目标下的可持续水处理提供新范式。

　　随着社会的发展和技术的进步，越来越多的新兴污染物（Emerging Contaminants, ECs）被发现并进入水体环境中。这些污染物通常来源于日常的人类活动、工业生产以及农业实践，它们的种类和数量在21世纪初迅速增加，尤其是在化学工业的快速发展背景下。例如，截至2024年，化学文摘服务（Chemical Abstracts Service, CAS）的数据库已经收录了约2.19亿种化学品，而每天还有数千种新化学品被添加进来。虽然这些化学品在推动社会进步方面发挥了重要作用，但它们在环境中的广泛存在也引发了越来越多的担忧，因为它们可能对生态系统和人类健康造成潜在威胁。

新兴污染物的种类繁多，包括药物残留、个人护理产品、内分泌干扰物、微塑料、纳米材料等。这些污染物通常在水体中仅以痕量浓度存在（纳克/升至微克/升），因此往往被忽视在传统的环境监测体系中。然而，越来越多的研究表明，这些痕量污染物在低剂量下仍然具有毒性，可能对水生生物和人类造成严重影响，例如内分泌干扰、生殖毒性、免疫毒性以及致癌性等。这使得新兴污染物的治理成为污水处理厂（Wastewater Treatment Plants, WWTPs）面临的重要挑战之一。

污水处理厂在处理污水时，通常需要去除氮、磷等营养物质以及化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD），特别是可生物降解的有机物。然而，现有的污水处理工艺对于去除大多数新兴污染物的效果有限。许多新兴污染物在经过处理后仍然残留在污水中，并最终被排放到地表水体中，这使得污水处理厂成为环境中新兴污染物的重要来源之一。因此，为了满足日益严格的排放标准并降低相关的生态和健康风险，需要开发更加有效和可行的处理方法。

近年来，一些基于生物处理的方法被提出，以提高新兴污染物的去除效率。例如，通过微生物代谢途径来降解这些污染物，被认为是实现生物处理的一种潜在方式。然而，这种方法的实际应用受到多种因素的限制，包括污染物的复杂结构和低浓度特性，使得微生物在处理过程中难以有效识别和分解这些物质。此外，传统的生物强化或生物刺激方法，即通过引入工程菌株或刺激原生微生物群体以增强其降解能力，虽然能够提高特定污染物的去除效率，但对广谱污染物的完全矿化效果仍然有限。这主要是由于这些方法依赖于特定的酶系统，其催化活性通常被优化以降解特定化合物，从而降低化学键断裂所需的活化能。然而，这种酶系统的特异性限制了微生物对多种污染物的处理能力，导致污水处理厂在去除新兴污染物方面存在效率不足的问题。

为了应对这一挑战，化学方法也被广泛应用。例如，通过氧化还原反应来转化新兴污染物，使其成为无毒、可生物降解或完全矿化的产物。其中，基于过氧化氢（Hydrogen Peroxide, H?O?）的高级氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs）因其能够实现对污染物的完全矿化而受到广泛关注。这些工艺通常涉及过氧化氢与其他活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）的协同作用，如超氧自由基（•O??）和羟基自由基（•OH），这些自由基能够与多种污染物发生非选择性的反应，从而提高其去除效率。然而，这种方法在实际应用中面临一定的挑战，即过氧化氢的外源添加不仅带来了安全问题，还增加了处理成本，尤其是在大规模市政污水处理中，这种方法的技术和经济可行性受到限制。

为了解决这些问题，一种新的思路逐渐被提出，即通过电化学方法在污水处理厂中实现过氧化氢的原位合成。这种方法基于氧气的两电子还原反应（Two-electron Oxygen Reduction Reaction, ORR），通过电极材料表面的反应过程，将氧气转化为过氧化氢。这一过程的关键在于持续且充足的电子供应，以维持两电子ORR的稳定进行。因此，如何在不增加外部能源输入的前提下，实现电子的高效获取和利用，成为这一方法能否成功应用的核心问题。

近年来，电活性微生物（Electroactive Microorganisms, EAMs）的研究为这一问题提供了新的解决方案。电活性微生物能够通过细胞外电子传递（Extracellular Electron Transfer, EET）机制，将有机物中的电子传递到电极上。这些微生物在污水处理厂中的存在较为普遍，尤其是在厌氧或缺氧的处理单元中。通过这种机制，电活性微生物可以将污水中的有机物氧化，并将生成的电子传递到电极上，从而实现电子的收集和利用。这些收集到的电子可以通过外部电路传输到好氧区，用于促进氧气的还原反应，生成过氧化氢或进一步生成羟基自由基，从而增强对新兴污染物的去除能力。

这一电子贸易机制不仅能够提高污水处理厂对新兴污染物的去除效率，还能够在一定程度上降低能源消耗，从而支持全球碳中和的目标。通过将电子收集与利用整合到现有的污水处理设施中，可以实现一种更加可持续和环保的处理方式。然而，这一机制的广泛应用仍需进一步的实验验证和系统优化，以确保其在大规模污水处理中的可行性。此外，还需要考虑如何提高电活性微生物的活性和稳定性，以及如何优化电极材料的设计，以提高电子传递的效率。

综上所述，污水处理厂在面对新兴污染物的治理挑战时，需要综合考虑多种处理方法的优缺点，并探索更加高效、经济和可持续的解决方案。电子贸易机制作为一种新兴的处理思路，为污水处理厂提供了新的可能性。通过电活性微生物的细胞外电子传递，可以实现电子的收集和利用，从而支持过氧化氢的生成和新兴污染物的去除。这一机制不仅有助于提高污水处理效率，还能够降低能源消耗，为实现碳中和目标做出贡献。然而，要实现这一机制的广泛应用，仍需进一步的研究和优化，以确保其在实际应用中的可行性和有效性。