促进电子转移和代谢调控：用于垃圾填埋场渗滤液处理的生物炭介导的同步硝化反硝化系统

《Separation and Purification Technology》：Boosting electron transfer and metabolic regulation: Biochar mediated simultaneous nitrification denitrification system for landfill leachate treatment

垃圾填埋渗滤液处理面临复杂基质、高浓度内分泌干扰物（如BPA）及营养失衡挑战。本研究开发Mg-Fe LDH-BC复合材料，通过表面活性位点（酚羟基及金属位点）增强微生物群落电子转移活性（提升7.97-33.78%），促进功能基因（napAB, nirS, korA, fhuF）表达，实现同步脱氮除磷（总氮去除78.65%）及BPA降解。该材料通过创造多微环境并电化学介导，有效克服传统生物处理在毒性条件下的局限性。

　　 landfill leachate 是一种复杂的废水，其成分多样且难以处理，对环境和人类健康构成了重大威胁。由于其含有大量内分泌干扰物（如双酚A，BPA）以及营养元素失衡，传统的生物处理方法在去除这些污染物时效果有限。为了解决这一问题，研究人员开发了一种基于层状双氢氧化物（LDH）和生物炭（BC）的复合材料，命名为 Mg-Fe LDH-BC。这种材料不仅能够提升生物处理效率，还能够在同时去除氮、磷以及降解 BPA 方面发挥重要作用。

在本研究中，Mg-Fe LDH-BC 被设计为一种多功能载体，它通过为微生物群落提供一个更适宜的生存环境，减轻 BPA 对微生物的毒性影响。此外，该材料的表面活性位点（包括酚羟基和金属位点）能够促进电子传递，从而提高微生物的代谢活性。研究结果表明，与对照组相比，Mg-Fe LDH-BC 能够将微生物群落的电子传递活性（ETSA）提高 7.97 到 33.78%。这表明，Mg-Fe LDH-BC 在促进氮和磷的去除方面具有显著优势。

从功能基因的角度来看，Mg-Fe LDH-BC 显著上调了关键的反硝化基因（如 napAB 和 nirS）以及铁氧化还原循环相关基因（如 korA 和 fhuF）。这些基因的表达增强，意味着微生物能够更有效地进行氮的去除，并通过生物炭增强的电子传递和代谢调控实现更高的处理效率。最终，实验系统中实现了 78.65% 的总氮去除率，同时显著提升了磷的吸附能力以及 BPA 的生物降解效率。

本研究的另一个重要发现是，Mg-Fe LDH-BC 与生物炭的结合能够有效克服传统生物处理方法在处理含有生物毒性物质的 landfill leachate 时的局限性。通过优化微生物群落结构，结合生物炭和层状双氢氧化物的协同作用，可以实现对多种污染物的高效去除。这种策略不仅提高了处理效率，还增强了系统的稳定性，为 landfill leachate 的综合治理提供了新的思路。

在实验过程中，研究人员采用了多种方法对 Mg-Fe LDH-BC 进行了制备和表征。通过共沉淀法合成 Mg-Fe LDH-BC，并结合生物炭进行复合处理。详细的制备过程和材料表征信息在补充材料中有所描述。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）对材料的表面结构进行了分析，结果显示 Mg-Fe LDH-BC 具有更加粗糙和不规则的表面结构，能够为微生物提供更多的附着位点，从而提高其在处理废水时的活性。

实验中使用的反应器和操作流程也经过精心设计。接种污泥取自广西某污水处理厂，经过过滤处理以去除大颗粒杂质。实验废水则取自新鲜 landfill leachate，以确保其代表性。通过这些实验条件，研究人员能够更准确地评估 Mg-Fe LDH-BC 在实际应用中的性能。

本研究的结论表明，Mg-Fe LDH-BC 作为生物处理系统的载体，能够有效提升活性污泥反应器的处理能力。其主要优势在于能够同时促进氮的去除和 BPA 的降解。通过创建有利于微生物生长的微环境，以及促进电子传递，Mg-Fe LDH-BC 在实现高效处理方面表现突出。此外，其对磷的吸附能力也得到了显著增强，进一步提升了系统的综合处理效果。

本研究的创新之处在于，将层状双氢氧化物与生物炭相结合，不仅解决了单一材料在处理 landfill leachate 时的局限性，还通过协同作用实现了对多种污染物的高效去除。这种策略为环境治理提供了一种新的方向，尤其是在处理含有内分泌干扰物和营养元素失衡的复杂废水时。同时，该研究也为开发更高效、更环保的废水处理技术提供了理论支持和实践依据。

在实际应用中，Mg-Fe LDH-BC 可以作为一种高效载体，广泛应用于 landfill leachate 的处理系统中。通过优化微生物群落结构，结合生物炭和层状双氢氧化物的协同作用，可以实现对污染物的高效去除。这不仅有助于提高处理效率，还能够降低处理成本，提高系统的可持续性。

此外，本研究还探讨了 Mg-Fe LDH-BC 在处理 landfill leachate 时的作用机制。通过分析其表面活性位点和电子传递特性，研究人员发现 Mg-Fe LDH-BC 能够有效促进微生物的代谢活性，从而提高其在处理废水时的效率。同时，该材料还能够通过吸附作用去除磷等营养元素，进一步提升系统的综合处理能力。

在研究过程中，研究人员还采用了多种分析方法，包括 KEGG 功能注释、电子传递活性分析以及微生物群落结构分析等。这些分析方法帮助研究人员更全面地理解 Mg-Fe LDH-BC 在处理 landfill leachate 时的作用机制。通过这些分析，研究人员发现 Mg-Fe LDH-BC 不仅能够提升氮的去除效率，还能够通过促进电子传递和代谢调控，实现对 BPA 的高效降解。

本研究的意义在于，为 landfill leachate 的处理提供了一种新的方法。通过结合生物炭和层状双氢氧化物，研究人员开发出了一种能够有效提升处理效率的复合材料。这种材料不仅能够减少 BPA 对微生物的毒性影响，还能够通过吸附和生物降解的方式实现对多种污染物的高效去除。这为开发更高效、更环保的废水处理技术提供了新的思路。

在实际应用中，Mg-Fe LDH-BC 可以作为一种高效的生物载体，广泛应用于污水处理系统中。通过优化微生物群落结构，结合生物炭和层状双氢氧化物的协同作用，可以实现对污染物的高效去除。这不仅有助于提高处理效率，还能够降低处理成本，提高系统的可持续性。

此外，本研究还强调了环境治理的重要性。随着城市化进程的加快，生活垃圾的产生量不断增加， landfill leachate 的污染问题日益严重。因此，开发一种高效、环保的处理技术对于减少环境污染、保护生态系统具有重要意义。通过本研究，研究人员为解决这一问题提供了一种可行的方案，即利用 Mg-Fe LDH-BC 作为生物载体，实现对 landfill leachate 的高效处理。

综上所述，Mg-Fe LDH-BC 在处理 landfill leachate 时表现出显著的优势。它不仅能够提升生物处理效率，还能够通过吸附和生物降解的方式实现对多种污染物的高效去除。这种材料的开发为环境治理提供了一种新的方向，同时也为开发更高效、更环保的废水处理技术提供了理论支持和实践依据。未来，随着研究的深入，Mg-Fe LDH-BC 可能会在更多实际应用中发挥作用，为环境保护和可持续发展做出贡献。