温度波动驱动的生物杂化热电生物反硝化技术：污水处理新范式

研究人员针对污水处理厂(WWTPs)生物反硝化过程中碳源依赖和能源消耗问题，创新性地开发了基于WS2与Thiobacillus denitrificans(T. d)的生物杂化热电反硝化系统(BHPD)。该系统利用环境温度波动(5°C)激发WS2的热电效应产生还原当量，驱动T. d完成三周期(15天)完全反硝化，实际废水处理中硝酸盐去除率提升8.09倍。生命周期评估(LCA)显示该技术较传统A-A-O工艺显著降低环境负荷，为污水处理厂能源回收与低碳运行提供新思路。

　　

研究背景
全球城市化进程加速对污水处理厂(WWTPs)提出更高要求，其中反硝化作为氮去除的关键环节面临严峻挑战。传统A-A-O工艺需投加有机碳源(如甲醇)作为电子供体，导致处理成本增加3.5-8.5%并加剧碳足迹。虽然自养反硝化可避免碳源依赖，但H₂的低溶解度和储存风险限制其应用。与此同时，全球每年60%的初级能源以废热形式流失，污水系统蕴含的丰富热能（降温1°C/m³可释放1.16 kWh）尚未被有效利用。尽管热电催化在H₂生成和CO₂还原等领域取得进展，但其与微生物代谢（如生物反硝化）的协同机制仍属空白。

研究设计与技术方法
福建农林大学等机构研究人员构建了T. d-WS₂生物杂化系统，通过红外辐射(400 mW cm^-2)模拟5°C温度波动。采用SEM/EDS、TEM、CLSM表征材料-微生物界面，SECM和COMSOL模拟热电电荷分布，ToF-SIMS和¹⁵N/¹³C同位素标记追踪氮/碳同化路径，转录组学解析代谢网络，并结合LCA评估环境效益。实际废水测试涵盖养猪场、厨房和钢铁厂三类污水。

研究结果

1. 热电生物反硝化性能
T. d-WS₂在5天周期内实现近100% NO₃^-去除（图2b），主要产物为N₂O(78.4%)。同位素实验证实¹⁵N-KNO₃转化为^{15N₂/15N₂O（图2d），ToF-SIMS显示δ13C和δ15N分别富集2873‰和31317‰（图2e-f）。}

2. WS₂胞内化机制
TEM显示20-50 nm WS₂纳米颗粒被T. d内化（图4a），CLSM三维成像证实其均匀分布（图4b）。胞内WS₂使ATP浓度提升37.46%，NADPH/NADP⁺比率提高46.50%（图4d-e），EIS显示电子转移阻力降低。

3. 代谢通路调控
转录组揭示温度波动下应激基因(clpB/groES)上调，细胞色素b561表达增加0.8倍，驱动电子传递链(ETC)和CBB循环（图5a）。反硝化操纵子nar/nir/nor表达提升0.55-6.98倍，与N₂O为主导产物的实验结果一致。

4. 实际废水验证
钢铁废水处理效果最佳，NO₃^-去除率提升8.09倍（图6c）。LCA显示BHPD工艺在膜寿命15年情景下环境影响低于A-A-O，成本分析表明其处理费用（0.424美元/m³）较传统工艺降低21-29%。

结论与意义
该研究开创性地将热电效应与微生物反硝化耦合，证实WS₂可通过表面沉积和胞内化双路径提供电子（贡献比25-28% vs 72-75%），且仅需5°C温差即可驱动高效脱氮。通过解析温度波动下T. d的代谢重塑机制，揭示了细胞色素介导的热电电子传递新路径。实际应用证明该技术对低C/N比废水具有显著优势，为污水处理厂从"污染控制"向"能源-资源回收"转型提供关键技术支撑。未来需优化热电材料稳定性（如PVDF、BaTiO₃）并解决低温下硝化细菌活性抑制等工程挑战。