基于水力动能驱动的微生物压电催化系统实现硝酸盐高效还原为铵盐的研究

为解决传统氨合成工艺高能耗、高污染及光催化固氮效率低等问题，研究人员创新性地构建了微生物压电还原系统(MPRS)，将氧化锌纳米棒(ZnO)与电活性细菌(Shewanella oneidensis MR-1)结合，利用水力动能驱动实现NO3-高效还原为NH4+（效率达97.97%，产率40.16 μmol·L-1·h-1）。该研究通过反向金属还原(Mtr)途径证实了压电电子转移机制，为可持续氮循环和废水资源化提供了新策略。

　　

氨作为工业农业的核心原料，其传统合成依赖高耗能、高碳排放的Haber-Bosch工艺，而光催化固氮又受限于氮气(N₂)的低溶解度和强化学键稳定性。与此同时，水体中硝酸盐(NO₃^-)污染日益严重，但其高溶解度和低键能(204 kJ·mol^-1)却使其成为理想的替代氮源。针对这一矛盾，中国科学院生态环境研究中心的研究团队在《Water Research》发表突破性研究，通过构建微生物压电还原系统(MPRS)，首次实现水力动能驱动下硝酸盐高效转化为铵盐(NH₄⁺)，为绿色氨合成和废水脱氮提供了全新范式。

研究团队采用水热法合成六方纤锌矿结构ZnO纳米棒（压电系数d₃₃=49.7 pm/V），结合电活性细菌S. oneidensis MR-1构建生物杂交系统。通过瞬态压电电流(TPC)和开尔文探针力显微镜(KPFM)证实压电电子从ZnO向微生物的高效转移，利用实时定量PCR揭示反向金属还原(Mtr)途径的关键作用。

Morphology, configuration and piezoelectric property characterization
扫描电镜显示ZnO纳米棒（直径50-100 nm）与细菌形成紧密界面，X射线衍射(XRD)证实其晶体结构。压电力显微镜(PFM)测得明显压电响应相位信号，证明ZnO在机械力作用下产生极化电场。

Discussion
相比传统压电材料MgNH₄PO₄·6H₂O（d₃₃=3.5 pm/V），ZnO的高压电系数使NH₄⁺产率提升11倍。KPFM显示ZnO表面电位(-0.42 V)低于细菌(-0.18 V)，为电子转移提供热力学驱动力。通过抑制nirB基因表达证实DNRA途径主导NO₃^-还原，避免温室气体N₂O的生成。

Conclusion
该研究实现97.97%的NO₃^-去除率和40.16 μmol·L^-1·h^-1的NH₄⁺产率，突破性地将水力动能转化为微生物代谢能。通过阐明ZnO→Mtr途径→DNRA的电子传递链条，不仅为氮循环调控提供新认知，更开创了"废水处理-资源回收-能源利用"三位一体的可持续发展模式。这种无需外加能源、无二次污染的技术路线，在分布式污水处理和绿色化工领域具有重大应用前景。