生物电催化驱动废水同步脱氮除硫：微生物群落演替规律与关键调控机制解析

针对工业废水中NH4+-N与SO42-同步去除难题，上海团队通过双室微生物电解池（MEC）耦合厌氧氨氧化（Anammox）与硫酸盐还原菌（SRB），揭示0.6 V阳极电位下NH4+-N去除率达81.1%，SRB丰度提升至27.4%，并首次结合自动机器学习（AutoML）解析电位对微生物生态的关键调控作用，为废水处理提供新策略。

　　

工业废水中的氨氮（NH₄⁺-N）和硫酸盐（SO₄^2-）如同潜伏的“环境杀手”，它们不仅导致水体富营养化，还会毒害水生生物。传统生物处理技术面临严峻挑战：厌氧氨氧化菌（AnAOB）生长缓慢且需严格化学计量平衡，硫酸盐还原菌（SRB）则常与产甲烷菌争夺电子供体。更棘手的是，这两种污染物的同步去除效率始终难以突破。当学术界还在各自优化单项技术时，上海的研究团队另辟蹊径，将目光投向了能“驯化”微生物直接利用电能的生物电催化系统。

这项发表在《Bioresource Technology》的研究，由上海团队领衔，通过双室微生物电解池（MEC）构建了一个微型“电子交易所”——阳极的AnAOB“打工菌”氧化氨氮释放电子，阴极的SRB“收银菌”则用这些电子还原硫酸盐。研究团队采用梯度阳极电位（0-0.8 V vs. Ag/AgCl）调控系统，结合三维荧光光谱、电化学表征和高通量测序等技术，辅以自动机器学习（AutoML）算法，首次揭示了电位驱动下微生物群落的协同作战机制。

关键实验方法
研究采用H型双室MEC反应器，以碳毡为电极，通过三电极体系控制阳极电位（0-0.8 V）。监测NH₄⁺-N、SO₄^2-去除效率，结合循环伏安法（CV）分析电活性，利用激光共聚焦显微镜（CLSM）观察生物膜形态，并通过16S rRNA测序解析群落结构。

研究结果

1. 不同阳极电位下的氮硫去除性能
   在0.6 V电位下，NH₄⁺-N去除率在第50天达到峰值81.1%，电活性菌Candidatus_Brocadia丰度从1.1%飙升至27.4%。同步地，阴极SRB（Desulfofustis等属）推动SO₄^2-去除率达77.0%。高于0.6 V的电位反而导致AnAOB凋亡，证明电位存在“黄金窗口”。

2. 生物电化学特性与代谢机制
   CV曲线显示0.6 V体系具有最强氧化还原峰，对应EPS中类黄酮物质显著增加。阴极生物膜中检测到大量纳米线样结构，证实SRB通过直接电子传递（DIET）途径获取电子。

3. 微生物群落演替规律
   PCoA分析表明阳极电位是塑造群落结构的首要因素。0.4-0.6 V区间形成独特功能分区：阳极富集电活性AnAOB，阴极则演替为Desulfomicrobium等SRB优势群落。

4. 机器学习解析关键参数
   AutoML建模显示，阳极电位对系统性能的贡献度达62.3%，远超pH、生物量等参数，电位通过调控胞外聚合物（EPS）分泌间接影响电子传递效率。

结论与意义
该研究突破性地证明：在0.4-0.6 V电位区间，MEC系统能自发形成“阳极产电-阴极耗电”的微生态循环，其中AnAOB通过胞外电子传递（EET）绕过NO₂^-限制，SRB则利用阴极析氢反应（HER）摆脱有机碳依赖。这种“一石二鸟”的设计不仅将运行能耗降低42%，更开创了废水处理的新范式——通过精准电位调控微生物“社会分工”，为高盐高氮工业废水的资源化处理提供了兼具理论基础和技术可行性的解决方案。