在纳米Fe3O4辅助的厌氧细菌-微藻生物膜中，通过明暗周期驱动的代谢H2/O2转换实现苯并噻唑去除与硫酸盐转化

《Water Research》：Dark-light cycle driven metabolic H 2/O 2 switching for benzothiazole removal and sulfate transformation in a nano-Fe 3O 4-assisted anoxic bacterial-microalgal biofilm

　　摘要：含噻唑类制药废水中含有苯并噻唑和硫酸盐，但氧化环断裂与还原性硫酸盐转化这两种过程存在相互矛盾的氧化还原需求，从而限制了它们的生物去除效率。本研究构建了一种纳米Fe3O4辅助的厌氧细菌-微藻生物膜系统，通过明暗周期驱动的代谢H2/O2转换来实现污染物转化。在24小时水力停留时间下运行60天后，该系统对苯并噻唑的去除率可达99.3±0.7%，硫酸盐的去除率为92.9±2.1%，总有机碳的去除率为49.8±8.7%，性能优于传统悬浮生物膜系统及未改良的生物膜系统。代谢分析表明，苯并噻唑通过羟基化反应及噻唑环断裂转化为2-巯基苯甲酰胺及更多可降解中间体，而硫酸盐则主要转化为可回收的元素硫。6小时黑暗/6小时光照的周期最有利于硫酸盐还原与苯并噻唑氧化降解的协同进行。宏基因组学与生理学分析进一步证实，纳米Fe3O4能够增强细胞外电子传递、调控光合作用活性、优化生物膜结构，同时增加与苯并噻唑氧化、硫酸盐还原及硫化物氧化相关的关键基因表达。该系统打破了传统上仅依赖微藻提供氧气的模式，通过明暗周期驱动的代谢H2/O2转换机制，为含噻唑类废水的处理提供了可持续、无需曝气且注重资源利用的新思路。

引言：含噻唑类制药废水因其复杂的成分及长期的生态危害而成为亟需解决的环境问题（Bao等人，2026；Dai等人，2023）。苯并噻唑是一种典型的含硫含氮杂环污染物，广泛存在于含噻唑类制药废水中（Liao等人，2018）。根据2021–2022年的现场监测数据，通过河流和沿海途径排入珠江口的苯并噻唑及其衍生物的年排放量高达8.29×103至1.50×10?千克/年，其衍生物的排放量则在9.46×103至1.32×10?千克/年之间（Chen等人，2025b）。苯并噻唑由苯环通过硫和氮原子与噻唑环相连形成的双环结构，使其具有极高的化学稳定性，难以被常规氧化方法分解，从而导致其在环境中持续积累。此外，它还对水生生物具有急性毒性，会干扰两栖动物的内分泌功能，还会抑制细菌和藻类的新陈代谢（Bao等人，2026）。更糟糕的是，制药合成过程中还会产生高浓度的硫酸盐（高达1098毫克/升），在厌氧条件下这些硫酸盐会被微生物还原为有毒的H2S，进一步加剧生态系统的失衡（Dai等人，2023）。

苯并噻唑与硫酸盐的协同处理面临著严重的氧化还原矛盾，这一矛盾是含噻唑类制药废水处理中的核心技术障碍。要有效分解苯并噻唑，需要高度氧化的环境来突破芳香族共轭结构的阻碍并推动环裂解反应（Ma等人，2025），而硫酸盐还原则需要极低的氧化还原电位以及稳定的电子供体（Liamleam和Annachhatre，2007）。这种内在矛盾使得传统处理方法无法满足处理需求。虽然芬顿法、臭氧法以及过硫酸盐氧化法等物理化学方法能够快速实现苯并噻唑的环裂解（半衰期仅为5–70分钟）（Chen等人，2025a；Lai等人，2023；Ma等人，2022），但这些方法往往无法完全分解总有机碳（通常低于50%），还存在生成高毒性中间体的风险（Sarasa等人，2006）。此外，硫酸盐作为一种高溶解度、高水合能的无机离子，难以通过吸附、化学沉淀或氧化法去除，因此很难实现硫酸盐与苯并噻唑的同步去除。生物处理方法虽然更具可持续性和低能耗优势，但传统好氧系统会受到苯并噻唑的毒性及高盐度的严重抑制（Diao等人，2023）。尽管严格厌氧环境有助于提升生物系统的抗逆能力，但它无法提供苯并噻唑彻底分解所需的氧化条件。因此，至今仍缺乏一种能够同时有效去除这两种污染物的可靠单反应器系统。

近年来，细菌-微藻共生系统受到了广泛关注。这类系统结合了微藻的光合作用产氧功能与细菌的有机物分解能力，同时还能让微藻吸收无机物质，为复合污染物的处理提供了极具前景的解决方案（Ma等人，2025；Zheng等人，2026）。不过，目前这类系统的传统模式仍然局限于“供氧/耗氧”型共生关系，即微藻通过光合作用产生溶解氧，以支持好氧细菌的降解作用（Ma等人，2025）。这种传统的细菌-微藻共生系统会抑制硫酸盐还原菌的活性，从而阻碍硫酸盐的还原。有趣的是，某些微藻（尤其是球形褐藻PCC6803）具有双重代谢能力：在光照条件下，它们通过光合作用分解水分子释放氧气；而在黑暗且厌氧的条件下，则以糖原为能量来源进行暗发酵，产生氢气（Wang等人，2024b）。这种明暗代谢的切换有望构建出一种独特的厌氧细菌-微藻共生系统，从而在单一系统中实现氧化还原环境的动态调控。在黑暗条件下，微藻产生的氢气可驱动硫酸盐还原菌还原硫酸盐；而在光照条件下，微藻释放的氧气则可促进好氧细菌对苯并噻唑的降解。当这类系统以生物膜形式在厌氧环境下构建时，由于存在空间分层的微环境，扩散梯度可形成氧化区和还原区并存的状态，这不仅提升了系统对毒性冲击的抵抗力，还提高了其长期运行的稳定性，优于悬浮系统（Wang等人，2024c）。

尽管从理论上来看这种共生方式是可行的，但在高毒性压力下，实现细菌与微藻之间高效的细胞外电子传递仍然面临巨大挑战（Uali等人，2024；Xie等人，2024）。低效的细胞外电子传递会严重限制厌氧细菌-微藻生物膜在去除苯并噻唑和硫酸盐方面的协同作用。为了解决这一瓶颈，人们引入了纳米Fe3O4——它具有Fe2+/Fe3+混合价态以及优异的导电性，不仅能作为添加剂使用，还能充当外源导电介质（Luo等人，2022）。虽然纳米Fe3O4已广泛应用于厌氧消化和反硝化系统中（Chen等人，2024），但它在与细菌及微藻之间的相互作用中的作用机制仍不完全清楚，尤其是在将蓝细菌的明暗代谢切换与硫酸盐还原菌介导的硫酸盐还原以及细菌对苯并噻唑的降解相结合方面。

由于先光照后操作的模式会让光合作用产生的氧气抑制厌氧状态的形成，进而延缓对氧气更为敏感的还原反应，本研究采用了先黑暗后操作的模式，并将其视为该系统的核心特征。本研究构建了一种基于纳米Fe3O4的细菌-微藻生物膜系统，该系统包含球形褐藻PCC6803与厌氧活性污泥，在明暗交替的周期下运行，以实现氧化还原条件的动态调控。研究的具体目标包括：（i）评估该系统对苯并噻唑和硫酸盐的协同去除效果，明确二者在生物膜系统内的转化路径；（ii）阐明明暗周期驱动的代谢H2/O2转换在苯并噻唑去除和硫酸盐转化中的作用，以及纳米Fe3O4的辅助作用，同时通过宏基因组分析揭示生物膜系统内细菌与微藻之间的相互作用及功能差异；（iii）从环境与工程应用、工艺安全性以及长期运行稳定性等方面，评估该系统的实际应用前景。

部分内容节选：
微藻、污泥接种剂及载体制备：球形褐藻PCC6803（FACHB–898）是从中国科学院水生生物学研究所获得的，最初在BG11培养基中培养，培养温度为25±0.5°C，光照强度为3000勒克斯，光照时间为12小时/黑暗时间12小时。选择该微藻株作为实验材料，是因为它具有出色的氢化酶耐受性及电子传递能力（Gorby等人，2006，详见文本S1、图S1和S2）。厌氧活性污泥则来自……

纳米Fe3O4辅助的生物膜系统对污染物的去除效果：经过75天的适应期后，三个反应器在宏观和微观形态上都发生了显著变化（见图S6）。最初，悬浮的蓝细菌-污泥混合物呈灰绿色，但随着在毒性环境下的适应，所有反应器中的水色都变成了姜黄色。这种颜色变化是由于叶绿素被分解，而更稳定的类胡萝卜素大量积累所致，这是微藻为适应环境而做出的典型色素调整。

结论：本研究成功开发了一种纳米Fe3O4辅助的细菌-微藻生物膜系统，有效解决了苯并噻唑氧化降解与硫酸盐还原反应之间的氧化还原矛盾。该系统通过明暗周期驱动的微藻H2/O2代谢切换，创造了时间上分离的氧化还原环境：在黑暗阶段，发酵产生的氢气有助于硫酸盐的还原；而在光照阶段，光合作用产生的氧气则能促使苯并噻唑发生羟基化反应及环裂解。该系统无需机械曝气即可正常运行……

CRediT作者贡献说明：Mengqi Zheng负责概念设计、方法学设计、论文撰写与编辑、研究监督以及资金获取工作；Yaqi Liu负责实验开展、论文初稿撰写、数据整理与分析；Shuang Qiu负责概念设计和方法学设计；Guowei Chen负责方法学研究；Shijian Ge负责概念设计、方法学设计及研究监督；Heng Liang负责概念设计工作。

利益冲突声明：作者们声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

数据可用性：数据可应要求提供。

CRediT作者贡献说明：Mengqi Zheng负责论文撰写与编辑、研究监督、方法学设计、资金获取以及概念设计工作；Yaqi Liu负责论文初稿撰写及实验开展工作；Shuang Qiu负责方法学设计及概念设计；Guowei Chen负责方法学研究；Shijian Ge负责研究监督、方法学设计及概念设计；Heng Liang负责概念设计工作。

利益冲突声明：作者们声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（52300043）、哈尔滨工业大学城市水资源与环境国家重点实验室开放课题（QA202443）以及中国国家留学基金委（CSC）（202606690009）的支持。

Mengqi Zheng|Yaqi Liu|Shuang Qiu|Guowei Chen|Shijian Ge|Heng Liang
中国安徽省合肥市合肥工业大学土木工程学院农村水环境与水资源安徽省工程研究中心，邮编230009