阴极生物膜与植物生理学之间的电势差驱动级联效应，决定了人工湿地-微生物电解池系统中的效率-能量-风险平衡关系

《Environmental Science & Technology》：A Potential Difference-Driven Cascade Effect of Cathode Biofilm–Plant Physiology Governs the Efficiency-Energy-Risk Trade-Off in Constructed Wetland–Microbial Electrolysis Cells

　　

摘要

在处理含有抗生素的废水时，微生物电解池与人工湿地的组合系统中的传统电位差优化方法往往只注重单一维度的去除效率，而忽视了能源消耗与生态风险之间的权衡。通过运用物理化学指标、多组学分析、结构方程模型以及全面的风险评估方法，对四种在不同电位差下处理氯霉素废水的系统进行了研究，我们发现电位差会引发“阴极生物膜–植物生理”之间的连锁反应，从而影响“效率–能源–风险”之间的平衡。具体而言，0.5伏和0.8伏的中等电位差能够实现更高的总氮去除率（79.5–80.1%）以及较高的氯霉素去除率（90.9–92.5%），这得益于那些具有电活性、能够将硝酸盐还原为铵盐以及能够降解氯霉素的细菌（如Geobacter属、Ectobacillus属、Defluviilinea sp016789025）。这些微生物群落能够持续提供铵盐，激活植物体内的多种氮代谢途径，同时促进根部释放氧气，从而形成微氧-厌氧环境，有效降低整体风险。与0.2伏的对照组相比，0.5伏的电位差不仅使温室气体排放量减少了49.2%，还降低了出水物的生态毒性47.4%，并减少了抗药性风险56.0%，而且不会增加额外的能源消耗。综上所述，0.5伏的电位差能够实现效率、能源与风险之间的可持续平衡，有助于将这类系统打造成统一的“大健康”框架下的高效生物地球化学屏障。