生物炭-PHBV强化人工湿地脱氮：胞外电子传递与微生物协同机制解析

针对市政尾水碳源不足限制脱氮效率的问题，研究人员开发了生物炭改性PHBV（聚羟基丁酸-戊酸共聚酯）协同人工湿地系统，通过促进胞外电子传递（EET）和富集反硝化菌群，实现总氮去除率90%。该研究揭示了生物炭-PHBV通过提升EPS（胞外聚合物）中电子传递能力（EDC 1.492 μmole?/g）和功能菌群（如Candidatus Competibacter）协同作用机制，为低碳源污水深度处理提供新策略。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂尾水中的硝酸盐（NO₃^?-N）已成为水体富营养化的主要诱因。人工湿地（CW）因其生态友好特性被广泛应用于尾水深度处理，但传统CW面临碳源不足（COD <50 mg/L）导致反硝化效率低下的瓶颈。如何在不引入二次污染的前提下提升脱氮效能，成为环境工程领域的核心挑战。

北京建筑大学的研究团队创新性地将生物炭与可生物降解聚合物PHBV结合，构建了新型人工湿地系统。研究发现，生物炭-PHBV通过双重作用机制显著提升脱氮性能：一方面，生物炭的介孔结构和氧化还原活性基团（如酚羟基）加速了电子传递；另一方面，PHBV持续释放小分子有机物（2.43 mg COD/g），为反硝化菌提供碳源。该系统在处理实际市政尾水时，总氮去除率高达90%，反硝化速率提升至3.008±0.088 mg N/gVSS/d。相关成果发表于《Journal of Cleaner Production》。

关键技术方法
研究采用批次实验与连续流人工湿地结合的方式，通过16S rRNA测序解析微生物群落结构，利用电化学工作站测定EPS的电子传递能力（ETC），结合紫外光谱和荧光光谱分析EPS中腐殖酸（HA）含量及功能基团变化。市政尾水样本取自北京某污水处理厂二级出水。

研究结果

1. 生物炭-PHBV在批次实验中的性能表现
对比单一PHBV系统，生物炭-PHBV对NO₃^?-N的去除率提升至92.37%，且显著增加EPS中多糖（PS）和腐殖酸（HA）含量（27.76±5.32 mg/g VSS）。酶活性分析显示，硝酸盐还原酶（Nar）和亚硝酸盐还原酶（Nir）活性分别提高1.8倍和2.1倍。

2. 胞外电子传递（EET）增强机制
生物炭的引入使EPS的电子供给能力（EDC）达1.492 μmole^?/g，电子接受能力（EAC）达1.342 μmole^?/g。循环伏安曲线显示氧化峰电流增至0.4 mA，电荷转移电阻降低至1.53×10⁵ Ω，证实生物炭作为电子穿梭体促进DIET（直接种间电子传递）。

3. 微生物群落协同效应
微生物组分析发现，生物炭-PHBV富集了有机分解菌（如norank_f__Saprospiraceae，3.69%）和反硝化菌（如Firmicutes，8.0%）。共现网络分析表明，Candidatus Competibacter（1.22%）与norank_f__JG30-KF-CM45形成协同代谢关系，共同驱动碳氮循环。

结论与意义
该研究阐明了生物炭-PHBV通过“物理吸附-电子传递-微生物调控”三重机制强化人工湿地脱氮的路径：①生物炭的介孔结构为微生物附着提供载体；②其表面醌/氢醌基团加速EET过程；③PHBV降解产物与功能菌群形成正向反馈循环。这一技术为低碳源污水治理提供了经济高效的解决方案，同时为理解环境微生物的电子传递网络提供了理论依据。未来研究可进一步优化生物炭-PHBV配比，探索其在工业废水处理中的应用潜力。