碳点增强生物膜-电极电子传递，促进不依赖亚硝酸盐的氨氧化

《Bioresource Technology》：Carbon dots enhance biofilm-electrode electron transfer for nitrite-independent ammonia oxidation

　　CDs投加策略构建了适应性导电厌氧氨氧化生物膜。CDs桥接细胞-电极界面以加速电子传递。细胞内CDs重塑能量代谢和EPS分泌。微生物反馈稳定了基于CDs的导电网络。MEC-厌氧氨氧化系统实现了不依赖亚硝酸盐的生物产电。引言随着废水处理从污染物去除转向资源回收，微生物电化学电池（MEC）为环境修复和生物电能收集的整合提供了平台（Niu et al., 2024）。厌氧氨氧化（anammox）细菌中存在胞外呼吸的证据支持了不依赖亚硝酸盐（NO??-N）的氨（NH??-N）氧化与生物产电的耦合（Dou et al., 2023, Shaw et al., 2020, Strous et al., 2006）。因此，MEC-厌氧氨氧化系统已被认为是推进碳中和废水管理的关键平台（Zhang et al., 2023）。与已充分表征的电活性微生物（如希瓦氏菌和地杆菌）相比，厌氧氨氧化细菌缺乏清晰的胞外电子传递机制。阳极相关的电活性生物膜是介导从细胞内代谢到电极的电子转移所必需的（Zheng et al., 2026）。因此，电活性生物膜不仅是厌氧氨氧化菌的结构栖息地，更是控制电子捕获的关键界面。遗憾的是，致密的结构会阻碍长程电子传输（Zhang et al., 2024），限制了阳极电子收集和氮去除。改善生物膜-电极电子转移的策略包括三维导电电极、导电聚合物和碳纳米管（Binelli et al., 2023, Liu et al., 2023, Min et al., 2017）。这些方法扩大了电子交换界面并降低了电荷转移电阻。然而，许多策略主要修饰电极表面或胞外区域，对厚生物膜内的电子传输关注不足。碳点（CDs）具有纳米级尺寸、可调的表面化学性质和良好的生物相容性，可用于改善生物膜内的电子转移。其小尺寸可能有助于渗透到致密生物膜中，并将导电组分分布到电极表面之外（Yang et al., 2020）。CDs表面的羟基、羧基和氨基基团还支持与细胞的非共价相互作用，包括氢键和静电引力（Li et al., 2024）。这些特性可能有助于建立微生物细胞与阳极之间的导电连接。然而，在连续流运行期间，水力剪切和生物膜更新可能导致CDs流失。提高CDs的保留率对于扩大MEC-厌氧氨氧化系统的规模至关重要。除了胞外相互作用外，CDs还能进入微生物细胞，与细胞色素、氧化还原酶和电子载体相互作用，可能影响电子流和能量代谢（Chen et al., 2025, Zhang et al., 2022）。这些相互作用表明细胞内代谢与胞外导电网络之间可能存在联系。在厌氧氨氧化系统中，加速的阳极电子提取可能支持细胞内电子循环和能量转换，增加三磷酸腺苷（ATP）的生成和还原当量的可用性（Dou et al., 2025）。值得注意的是，胞外聚合物（EPS）的生物合成和分泌通常需要大量的代谢投入以支持生物膜的形成和维持（Xu et al., 2024）。理论上，CDs可能刺激EPS的产生，使富含蛋白质和多糖的基质能够保留纳米颗粒。这种相互作用可能支持一个由生物维持的导电网络，从而实现持续的电子转移。然而，这一假设仍需在MEC-厌氧氨氧化系统中进一步验证。为解决这些挑战，我们开发了一种CDs修饰的厌氧氨氧化生物膜，以改善微生物细胞与阳极之间的电子转移。具体而言，本研究旨在：（i）考察CDs修饰生物膜中的氮去除和电流产生；（ii）阐明MEC中多尺度胞外电子转移行为；以及（iii）评估相关的微生物代谢潜力。本研究突出了导电纳米材料改善生物膜-电极电子转移的潜力，为碳中和废水处理提供了一种有前景的策略。章节片段MEC-厌氧氨氧化生物反应器的构建与运行以萘为碳前驱体，通过室温化学反应合成CDs（见补充材料）。将实验室规模生物反应器收集的厌氧氨氧化污泥用N?吹扫的合成废水洗涤，并调整至约3.0 g VSS L?1。在接种反应器前，将生物质与CDs（10 mg L?1）在30 °C下厌氧培养10小时。通过互补的浓度依赖性对照实验确定了CDs投加量为碳点在厌氧氨氧化生物膜中的整合为了阐明CDs在厌氧氨氧化生物膜中的整合行为，采用多尺度方法解析细胞-电极界面的形成。SEM显示，与未修饰电极相比，CDs修饰电极上的生物膜更致密、更均匀，细胞附着更多（图1a）。TEM证实纳米级CDs（约3–6 nm）广泛分散在生物膜基质中，并与厌氧氨氧化细胞表面紧密关联，表明有效的结论本研究开发了一种CDs修饰的生物界面，以解决MEC-厌氧氨氧化系统中生物膜导电性有限和细胞-电极电子交换效率低的问题。CDs的掺入改善了界面电化学活性，并促进电子向阳极的提取。更高的ATP、NADH和血红素c水平伴随着EPS积累，这可能支持CDs在生物膜内的保留。这种材料-微生物适应性耦合使得自我维持的CRediT作者贡献声明Jiangshan Xi：初稿撰写，验证，数据管理。Quanhao Dou：审阅与编辑，初稿撰写，验证，资源，项目管理，方法学，调查，数据管理。Yufei Cui：验证，数据管理。Li Zhang：监督，项目管理，资金获取。利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作得到了北京市自然科学基金（8252022）、国家自然科学基金（22276006）和北京市重大科技项目（Z181100005318001）的资助。Jiangshan Xi|Quanhao Dou|Yufei Cui|Li Zhang