突破传统AOB中心范式：Geobacter介导的阳极厌氧氨氧化协同机制与生物电化学氮去除新策略

本研究针对阳极厌氧氨氧化（anodic anammox）过程中生物电化学机制不明的难题，揭示了AOB（氨氧化细菌）与电活性微生物（EAMs）的协同作用机制。通过多组学分析发现，Geobacter通过电子穿梭体介导间接电子传递（EET），并具备NH2OH氧化能力，同时活性氧（ROS）作为关键电子受体驱动AOB的厌氧代谢。该研究为优化生物电化学系统氮去除技术提供了理论依据。

　　

在传统污水处理领域，依赖氧气作为电子受体的氨氧化过程存在能耗高、碳足迹大的瓶颈。近年来，阳极厌氧氨氧化技术因其无需曝气、可持续性强的特点备受关注，但AOB在厌氧条件下如何与电极耦合的机制始终是未解之谜。现有理论多聚焦于AOB的独立作用，却忽视了电活性微生物可能扮演的关键角色。

中国的研究团队通过构建微生物电解池（MEC）系统，结合电化学分析与宏基因组技术，首次揭示了Geobacter与AOB的三元协同机制。研究发现，AOB通过两条并行路径氧化氨氮：一条是由ncd2基因调控的新型短程硝化路径（NH₄⁺→NO₂^-），另一条是传统amoABC基因介导的羟胺路径（NH₄⁺→NH₂OH）。令人意外的是，通常被视为典型EAMs的Geobacter展现出NH₂OH氧化能力，成为连接AOB代谢与电极呼吸的桥梁。

研究采用的关键技术包括：1）多电子受体抑制实验（NO₂^-、NO₃^-、SO₄^2-、Fe³⁺）；2）空间分辨生物膜电化学表征；3）宏基因组功能注释；4）ROS特异性清除实验。

氨氧化性能与关键限制因素
在+676 mV（vs. Ag/AgCl）最优电位下，Fe³⁺对氨氧化的抑制最强（效率降至6.99%），证实非氧电子受体干扰EET过程。开环条件下效率下降46.30%，说明电极作为电子受体的不可替代性。

生物膜结构与功能协同
空间分析显示生物膜呈分层结构：表层富集AOB（如Nitrosomonas），底层以Geobacter为主。代谢互作包括：1）AOB向Geobacter提供NH₂OH；2）Geobacter分泌核黄素类电子穿梭体；3）ROS作为电子桥接介质。

电子传递机制解析
抑制实验证实EAMs衍生的电子穿梭体贡献了62.7%的电流密度。超氧化物歧化酶（SOD）活性检测表明，ROS在厌氧条件下充当AOB的替代电子受体，其清除使氨氧化效率降低38.4%。

该研究颠覆了传统AOB中心范式，提出EAMs-AOB-电极三元协同模型：Geobacter通过代谢互补（提供辅因子）、电子中介（分泌氧化还原穿梭体）和微环境调控（维持ROS稳态）三大机制支撑AOB的厌氧活性。这一发现为设计低能耗生物电化学污水处理系统提供了全新思路，论文发表于《Journal of Environmental Sciences》。