葡萄糖作为双功能共底物强化光催化-生物耦合系统：协同提升难降解有机物矿化与硝酸盐去除效率

针对复杂废水中硝酸盐与难降解有机物共存导致的传统反硝化效率低下问题，本研究创新性地在光催化-生物耦合（ICPB）系统中引入微量葡萄糖（50 mg/L COD）。结果表明，葡萄糖通过双重机制（促进微生物活性和辅助电子传递）将有机物矿化率从53%提升至81%，硝酸盐/亚硝酸盐去除率从40%跃升至93%，为工业废水处理提供了经济高效的优化策略。

　　

水环境中硝酸盐污染犹如一柄双刃剑，既是引发水体富营养化的元凶，又是威胁人类健康的隐形杀手——它与高铁血红蛋白症和结直肠癌发病率显著相关。传统生物反硝化技术面对工业、医疗和水产养殖废水中的"顽固分子"（如抗生素、染料等难降解有机物）时常常束手无策，因为这些化合物既难以被微生物直接利用，又可能产生生物抑制。光催化-生物耦合系统（ICPB）的出现带来了转机，它通过光催化剂产生的活性氧（ROS）将"顽固分子"分解为可生物降解的中间产物，再由附着在载体上的微生物群落完成最终矿化。然而，这个看似完美的解决方案却面临电子供体不足的瓶颈：难降解有机物作为反硝化电子供体时，碳氮比失衡会导致硝酸盐去除不完全或毒性中间体累积。

针对这一难题，同济大学环境科学与工程学院的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的研究中，巧妙利用葡萄糖这一常见有机物作为"系统助推剂"。研究人员构建了以可见光响应型Ag₃
PO₄
/Bi₄
Ti₃
O₁₂
（AP/BTO）为光催化剂、聚氨酯海绵为载体、上海虹桥污水处理厂活性污泥为接种源的ICPB系统，通过添加微量葡萄糖（50 mg/L COD），实现了难降解有机物磺胺甲恶唑（SMX）与硝酸盐的协同高效去除。

关键技术方法
研究采用溶胶-凝胶法制备AP/BTO复合光催化剂，通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征其结构；利用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF-MS）分析中间产物；通过高通量测序和宏基因组学解析微生物群落变化；采用荧光素二乙酸酯（FDA）水解实验量化微生物活性。

研究结果

1. 污染物去除性能
   光催化（PC）单独处理可实现SMX完全降解但矿化率仅53%，而ICPB系统在葡萄糖辅助下将矿化率提升至81%。硝酸盐/亚硝酸盐总去除率从40%飙升至93%，证实葡萄糖既能作为电子供体直接促进反硝化，又能加速光催化中间产物的微生物代谢。

2. 微生物活性与抑制
   葡萄糖使系统微生物活性提高3倍，将毒性物质导致的微生物抑制率从68%降至20%。FDA水解实验显示，葡萄糖组生物膜代谢活性是对照组的2.5倍，有效防止了有毒中间体累积。

3. 微生物群落与功能基因
   宏基因组分析揭示葡萄糖显著富集了假单胞菌属（Pseudomonas）和红杆菌属（Rhodobacter），这些菌株具有强大的有机物降解能力。关键发现是核黄素生物合成通路上调，暗示葡萄糖可能通过促进微生物电子载体（如黄素蛋白）合成来增强电子传递效率。

结论与意义
该研究开创性地揭示了葡萄糖在ICPB系统中的双重作用机制：既作为"能量补给站"刺激微生物代谢活性，又充当"电子快递员"优化反硝化过程。成本分析显示，每吨废水仅需0.025元人民币的葡萄糖投入即可显著提升处理效能，为制药、水产养殖等行业的高氮难降解有机废水处理提供了经济可行的解决方案。更深远的意义在于，该研究为复杂污染体系中多污染物协同去除提供了"以废治废"的新思路——利用简单有机物激活微生物与光催化剂的协同效应，实现环境污染物处理的"1+1>2"效果。