周期性极性反转驱动电化学活性生物膜中多元电子传递促进硝酸盐还原的机制研究

本研究通过量化单向/双向胞外电子传递(EET)和电子存储对电化学活性生物膜(EAB)中硝酸盐(NO3?-N)还原的贡献，揭示了周期性极性反转(PPR)提升EAB性能的分子机制。研究发现PPR操作下NO3?-N还原效率达28.8%，其中电子存储(50.2%)、单向EET(21.6%)和双向EET(28.2%)共同作用，且双向EET驱动的氨(NH4+-N)选择性高达77.3%。通过拉曼/傅里叶红外光谱(FTIR)和宏基因组分析，证实外膜细胞色素(Omc)和氧化还原物质介导EET过程，Petrimonas菌属主导的EAB在PPR下高表达氮代谢相关基因。

　　

Highlight

本研究量化了电化学活性生物膜(EAB)中不同电子传递途径对硝酸盐(NO₃^?-N)还原的贡献。通过周期性极性反转(PPR)操作，NO₃^?-N还原效率提升至28.8±1.3%，其中电子存储(50.2%)、单向胞外电子传递(EET)(21.6%)和双向EET(28.2%)协同作用。特别值得注意的是，双向EET驱动的NO₃^?-N还原表现出77.3±10.2%的氨(NH₄⁺-N)选择性。

Experimental set-up and reactor operation

为避免电化学刺激与PPR作用的混淆，本研究采用双室电解系统。两个圆柱形玻璃室(各150 mL工作体积)通过阳离子交换膜(CEM)分隔，碳毡(表面积17.5 cm²)作为工作电极。系统以-0.5 V vs. Ag/AgCl电位运行，通过监测电流输出和NO₃^?-N浓度变化评估EAB性能。

Nitrate reduction by electrochemically active biofilm with different polarity reversal strategies

EAB在生长期间产生稳定电流输出(~4.8 A m^-2)。当阳极转为阴极操作时，EAB可从电极获取电子进行NO₃^?-N还原。单次极性反转(SPR)操作下最大阴极电流和NO₃^?-N还原效率分别为6.5%，非极性反转(NPR)为14.7%，而PPR操作显著提升至28.8%。

Conclusion

拉曼和傅里叶红外光谱(FTIR)分析揭示了PPR操作下EAB中富含外膜细胞色素(Omc)和氧化还原活性物质。宏基因组分析表明Petrimonas菌属在EAB中占主导地位，且PPR操作下氮代谢相关基因显著过表达。这些发现深化了我们对EET驱动NO₃^?-N还原机制的理解，为优化生物电化学系统提供了理论依据。