微生物电化学细胞中铵高效转化为氧化亚氮的机制与可持续氮管理应用

本研究针对传统废水脱氮工艺能耗高、易产生温室气体N2 O的问题，创新性地利用微生物电化学细胞（MEC）实现NH4 + 向高附加值产物N2 O的定向转化。通过15 NH4 + 示踪和电化学分析，揭示出76%的转化效率及1.64 kWh/kg-N的超低能耗，为废水处理与资源回收提供了绿色解决方案。

　　

在当今水资源短缺与气候变化双重压力下，废水处理领域正面临严峻挑战。铵（NH₄
⁺
）作为废水中的主要污染物，传统硝化-反硝化（N-D）工艺虽能将其转化为无害氮气（N₂
），却需消耗大量能源（2.6-6 kWh/kg-N），并伴随强效温室气体氧化亚氮（N₂
O）的逃逸——其增温潜能是CO₂
的298倍。更矛盾的是，N₂
O本身是医疗麻醉、食品保鲜等领域的重要工业原料，若能定向回收反而能创造经济价值。这种"污染治理反致气候恶化"的困境，催生了科学家对可持续脱氮技术的探索。

墨西哥国立自治大学等机构的研究团队独辟蹊径，将微生物电化学细胞（MEC）这一原本用于产氢或发电的技术改造为"氮转化工厂"。他们设计了一种无膜单室MEC反应器，通过精准调控电极电位（阳极+0.5 V vs. Ag/AgCl），成功实现NH₄
⁺
向N₂
O的高效转化（76%），能耗仅1.64 kWh/kg-N，相关成果发表于《Bioelectrochemistry》。

研究采用三电极体系（碳毡阳极、金镍合金阴极），结合¹⁵
N同位素示踪技术追踪氮转化路径。通过循环伏安法（CV）监测电化学活性，并利用Illumina MiSeq测序解析微生物群落。实验采用啤酒厂厌氧颗粒污泥作为接种源，在无外源有机碳条件下运行21天。

NH₄
⁺
转化机制
研究发现，阳极极化（+0.5 V）使NH₄
⁺
氧化速率提升至2.60 g N/m³
·d，显著高于非极化组（5.97 g N/m³
·d）。CV检测到+0.68 V的特征氧化峰（电流密度0.165 mA/cm²
），证实生物膜介导的电子传递。阴极电位（-0.73至-0.78 V）驱动NO₂
^-
逐步还原为N₂
O，而非完全转化为N₂
，这与传统反硝化路径明显不同。

微生物群落动态
16S rRNA测序揭示电极生物膜富含特殊功能菌群：

• 反硝化菌Simplicispira和Thiobacillus在阴极富集137倍，负责NO₂
  ^-
  →N₂
  O转化
• 浮游相中的Phycisphaerae（增加208倍）可能通过narGHI和nxrABC基因簇参与厌氧氨氧化
• 产甲烷菌Methanobacterium（占比28%）通过合成代谢维持系统还原环境

环境与经济价值
该技术相比传统工艺可减少66%碳排放，且回收的N₂
O纯度达98%。质量平衡分析显示92%的NH₄
⁺
转化为气态产物（N₂
O占76%），剩余氮可能整合入微生物蛋白，暗示潜在资源化路径。

这项研究突破性地证明MEC可同步实现"污染治理-温室气体管控-资源回收"三重目标。未来通过优化电极材料（如增加纳米催化剂）和定向调控功能菌群（如敲除nosZ基因阻断N₂
O进一步还原），有望建立新一代碳中和废水处理范式。正如研究者强调，这种"以废治废"的策略，或将重新定义人类与氮循环的关系。