零价铁直接驱动微生物电子传递的自养反硝化技术实现低碳废水脱氮

针对传统反硝化依赖有机碳源导致高碳排放的问题，研究人员开发了基于零价铁（ZVI）、Shewanella oneidensis MR-1和Paracoccus denitrificans的直接铁-微生物电子传递自养反硝化策略。该技术无需有机碳源，6天内总氮去除率达93%，碳排放降至2.51 kg CO2 /kg N，显著低于传统乙酸钠驱动工艺（4.07 kg CO2 /kg N），为低碳废水处理提供了新思路。

　　

在全球碳中和背景下，废水处理过程的碳排放问题日益凸显。传统生物反硝化技术依赖有机碳源作为电子供体，其碳足迹占废水处理总排放的15%以上。更棘手的是，当废水中有机碳不足时，需额外投加乙酸等外源碳源，进一步增加成本和环境负担。面对这一挑战，华中师范大学的研究团队独辟蹊径，提出了一种颠覆性的解决方案——利用零价铁（ZVI）直接驱动微生物电子传递的自养反硝化技术，相关成果发表在《Journal of Environmental Sciences》。

研究团队通过机械球磨法制备ZVI颗粒，结合电化学分析、光谱表征和合成生物学手段，构建了由ZVI、金属还原菌Shewanella oneidensis MR-1和反硝化菌Paracoccus denitrificans组成的三元体系。该研究首次揭示了ZVI氧化壳与微生物细胞色素c之间的直接电子传递机制，突破了传统H₂
介导的间接电子传递效率限制。

Autotrophic denitrification with low carbon emission
实验显示，该体系在无外源有机碳条件下，6天内将总氮从28.2 mg/L降至2.4 mg/L，去除率达93%。对比实验证实，缺失ZVI时脱氮效率骤降至8.9%，而传统H₂
介导体系的碳排放量高出62%。关键机制在于：Shewanella的外膜细胞色素c通过羧基与ZVI氧化壳配位，形成直接电子传递通道，同时将HCO₃
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转化为甲酸盐，既驱动P. denitrificans的自养代谢，又实现CO₂
固定。

Materials preparation and microbial cultivation
球磨处理的ZVI具有更活跃的表面特性，配合严格控制的厌氧培养条件（DO<0.1 mg/L），为微生物-铁界面反应创造理想环境。通过敲除Shewanella的omcA/mtrC基因（编码外膜细胞色素c），研究者验证了这些蛋白在电子传递中的核心作用。

Conclusion
该研究开创性地实现了铁-微生物直接电子传递驱动的自养反硝化，碳排放量较传统工艺降低38%。技术突破点在于：①发现细胞色素c羧基与ZVI氧化壳的配位作用；②阐明Shewanella将无机碳转化为有机碳的"电子桥梁"功能；③通过生命周期分析证实其环境优势。这不仅为低碳废水处理提供了新范式，更深化了对微生物跨物种电子传递机制的认识，对发展碳中和型水处理技术具有里程碑意义。