基于氧化还原反应的锌电极用于氢气补充，以增强微生物电解效果，同时降低毒性并提高硝酸盐去除效率

《Water Research》：Redox-Mediated Zn Electrode for Hydrogen Supplementation to Enhance Microbial Electrolysis Reduces Toxicity and Improved Nitrate Removal

　　摘要
微生物电解池（MECs）为硝酸盐污染的污水处理提供了一种有前景的方法。然而，氧化应激会损害电活性生物膜，同时氢气的供应不足也会影响完全反硝化过程的进行。本研究介绍了一种新型的氧化还原介质Zn电极，该电极通过Zn2?/Zn?氧化还原对反应来选择性地清除高反应性的氧化物质，包括羟基自由基（•OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO?），从而减轻氧化应激，保护电活性微生物和氧化还原活性酶。实验表明，这种Zn氧化还原电极具有显著的抗氧化能力，分别将•OH和ONOO?的水平降低了88.3 ± 2.8%和89.1 ± 3.2%。这种自由基清除作用显著改善了细胞的健康状况和代谢功能。经过48小时的暴露后，Geobacter sulfurreducens及混合反硝化菌群的表现更加优良：存活率提高了12.51 ± 0.53%，琥珀酸水平增加了78%（72.4 mM/mg蛋白质），NADH/NAD?比值升高（4.98 ± 0.43），ATP含量增加了两倍（72.3 ± 2.23 nmol/mg蛋白质）。使用Zn氧化还原阴极时，硝酸盐去除效率达到了96%，而传统碳毡对照组仅为58%。电流密度最高达到15.1 A/m2（对照组为3.7 A/m2），最大功率密度为3.9 W/m2（对照组为0.6 W/m2）。电极表面的生物量密度提高了三倍，从0.18 mg蛋白质/cm2增加到0.78 mg蛋白质/cm2。值得注意的是，硝酸盐的去除率达到了98%，亚硝酸盐的积累量降至2 mg/L以下（对照组为28 mg/L），N?O的排放量减少了90%，这解决了生物反硝化过程中的两个主要问题。此外，Zn氧化还原电极还促进了Proteobacteria和Actinobacteriota类的富集，并增强了包括Geobacter、Pseudomonas和Trichococcus在内的主要电活性和反硝化菌属的生长。系统通过增强细胞外电子转移和氢辅助硝酸盐还原作用，实现了快速的硝酸盐向N?的转化，同时减少了亚硝酸盐的积累和N?O的排放。Zn氧化还原电极在10次运行循环后仅损失了20%的质量，显示出良好的实际应用前景。

引言
地下水和大水的硝酸盐污染是21世纪最紧迫的环境挑战之一。农业集约化、工业排放以及不当的废水管理导致许多地区的硝酸盐污染超过了世界卫生组织（WHO）规定的饮用水标准（50 mg/L NO??（11.3 mg/L NO??-N）（Yan等人，2026；Yan等人，2026）。欧洲环境署报告称，欧洲大约15%的地下水监测站超过了这一阈值；在中国、印度和美国的农业地区，硝酸盐水平经常超过100 mg/L NO??-N。硝酸盐治理的主要挑战不在于硝酸盐本身的毒性，而在于如何将其完全还原为无害的氮气（N?），同时避免产生有毒中间产物（如亚硝酸盐（NO??）或温室气体一氧化二氮（N?O）（Jiang等人，2025a；Jiang等人，2025b；Wang等人，2025）。
微生物电解池（MECs）作为一种使用电化学电池和基于锌的电极的生物电化学技术，已成为处理硝酸盐污染废水的一种有前景的方法。在典型的MEC配置中，外电子产生微生物定殖在阳极上，氧化有机底物并释放电子，这些电子通过外部电路传递到阴极（Sun和Yuan，2026；Zhang和Wang，2025）。在阴极处，反硝化微生物利用这些电子（通常通过废水电解产生的氢气（H?）依次将硝酸盐还原为亚硝酸盐、一氧化氮（NO）和N?O，最终生成无害的氮气（N?）（Laidin等人，2025）。与传统生物反硝化方法相比，MECs具有以下优势：通过直接电极-微生物电子转移或H?介导的电子转移提高了电子转移效率；由于电子传递精确，污泥产量减少；在一个反应器中同时实现了有机物氧化和硝酸盐还原；具有回收氢气和电能的潜力（Liu和Chen，2025；Zhao等人，2025）。
在Zn氧化还原介质的MEC中，可逆的Zn2?/Zn循环促进了电子转移，缓冲了局部电位，并降低了电荷传输阻力，从而提高了库仑效率、电流密度和生物膜稳定性（Imlay，2025）。H?可选择性地清除高反应性的自由基，特别是•OH，减轻氧化应激，同时保持生理氧化还原信号传导。因此，通过改善细胞内氧化还原平衡和能量保存，微生物的存活率、膜完整性、细胞外电子转移（EET）和反硝化作用得到了增强。因此，集成的Zn氧化还原介质MEC实现了三个目标：（i）提高电化学动力学；（ii）更强的电活性生物膜；（iii）更高的硝酸盐向N?的转化效率（Bayat和Bello-Mendoza，2026）。
最近的研究表明，MECs在氮去除方面具有良好的潜力。将氢营养反硝化作用整合到无氧阳极中，可以在氨处理过程中将N?O浓度有效降低到0.01 mg N/L以下（Yan等人，2026）。关于生物电化学氮去除的最新研究表明，单腔MEC通过结合阳极氨氧化和氢营养反硝化作用，可实现高达97.3%的硝酸盐去除效率（Li等人，2025；You等人，2025）。尽管取得了这些进展，但基于MECs的反硝化过程仍面临两个相互关联的瓶颈，限制了其实际应用。在MEC运行过程中，电活性微生物（尤其是Geobacter sulfurreducens、Shewanella oneidensis及混合反硝化菌群）会遭受多重来源的氧化应激（Jiang等人，2025b；Montenegro-Rosero等人，2025；Xie等人，2025）。氧气渗透和不完全的氧化反应会产生活性氧（ROS），包括超氧阴离子（O?•?）、过氧化氢（H?O?）和羟基自由基（•OH）。反硝化中间产物（特别是一氧化氮（NO）可能与超氧阴离子反应生成过氧亚硝酸盐（ONOO?），这种高反应性氧化剂会损害蛋白质、脂质和DNA；而波动的电极电位可能会进一步促进类似芬顿反应的•OH生成（Ghaedamini和Kim，2025；Radi，2025；Zhang等人，2025）。由于•OH的高氧化还原电位（E°′ = 2.31 V），它会迅速氧化生物分子；而ONOO?会导致蛋白质硝基化及DNA损伤（Lovley，2025；Zhang等人，2025）。氧化应激会降低微生物的存活率，破坏膜完整性，损坏含Fe–S的硝酸盐还原酶和氢化酶，降低NADH/NAD?比值，抑制ATP合成，最终阻碍细胞外电子转移和反硝化效率（Wang等人，2025）。在氢营养反硝化过程中，H?作为电子供体，但由于其溶解度低、在生物膜中的扩散速度慢以及与其他氢营养微生物的竞争，常常成为反应的限制因素，从而导致亚硝酸盐积累和N?O排放。锌（Zn）提供了一种有前途的解决方案：在MEC条件下发生受控的牺牲腐蚀，生成H?并提供额外的电子。这种双重功能提高了氢气的可用性，促进了反硝化作用，并提高了整体电子转移效率，无需外部添加H?（Jiang等人，2025；You等人，2025）。通过修改Zn电极表面、调节pH值或施加小额过电位，可以控制H?的生成速率（He等人，2025；Liu和Chen，2026）。Zn2?可以与腐殖质和其他有机配体形成氧化还原活性表面复合物，有助于电子转移和清除活性氧及氮物种（包括•OH和ONOO?）（Li等人，2025）。Zn腐蚀产生的pH值从7.0提高到约8.5，大多数反硝化细菌可以很好地适应这一变化。释放的Zn2?会被细胞外聚合物物质（EPS）迅速结合，防止其在生物膜中积累。氧化还原介质的Zn电极可以在阴极-生物膜界面处补充H?，促进反硝化反应，并通过表面氧化还原反应清除•OH和ONOO?，从而减轻氧化应激并改善细胞能量状态。这种双重功能将提高NADH/NAD?比值、ATP水平、生物量密度和电流/功率密度，实现高效的硝酸盐去除，同时减少有毒中间产物的积累（Peng等人，2025；Wang等人，2026）。尽管微生物电解池（MECs）取得了显著进展，但同时提高H?的可用性和减轻氧化应激仍然是限制稳定和高效反硝化的两大障碍。现有的H?补充策略需要外部H?气体或耗能高的电解过程，这些过程会产生羟基自由基（•OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO?），从而影响微生物活性和电子转移。
本研究旨在系统探索一种氧化还原介质Zn电极，该电极既可作为原位氢供体，也可作为调节微生物电解系统中氧化微环境的氧化还原介质。所提出的Zn氧化还原策略在一个电化学平台上实现了受控的H?生成、增强的细胞外电子转移（EET）和氧化应激缓解，从而无需外部H?供应即可改善反硝化效果。除了展示出更高的硝酸盐去除效率外，本研究还建立了H?补充与微生物生理反应之间的定量关系，包括细胞存活率、细胞内ATP生成、琥珀酸代谢、NADH/NAD?比值、生物量积累和电化学活性。通过确定25 ppm·h?1的H?为最佳运行条件，本研究揭示了氢气可用性如何调节反硝化动力学、电子通量和生物膜-电极相互作用机制。此外，该方法提供了一种可扩展的策略，将废水处理与低能耗的氢辅助反硝化结合，提高了硝酸盐去除效率，减少了有毒中间产物的积累，并增强了能量性能。

化学品和材料
所有化学品均为分析级或更高纯度，用于溶液制备的是去离子水。电极制备使用的材料包括：锌网（99.9%纯度，100目，Alfa Aesar）、碳酸氢钠（NaHCO?，≥99.7%，Sigma-Aldrich）、腐殖酸（技术级，Sigma-Aldrich）和碳毡（Sigracell GFD 4.6，SGL碳）。细菌培养和自由基清除实验使用了5,5-二甲基-1-吡咯啉N-氧化物（DMPO，≥97%，Sigma-Aldrich）和七水合硫酸亚铁。

MEC氧化还原介质设计
图1展示了一个配置用于同时处理废水、硝酸盐还原和能量回收的氧化还原介质微生物电解池（MEC）。图1还强调了H?补充的机制作用。表1表明，受控的H?补充结合Zn氧化还原电极从根本上重塑了微生物生理和电化学反硝化性能，通过同时改善氧化还原平衡、细胞耐受性和...

结论
本研究证明，氧化还原介质Zn电极有效解决了基于MECs的反硝化过程中两个关键问题：H?供应不足和氧化应激对电活性生物膜的损害。该电极能够有效清除高反应性的自由基，将•OH降低了85.3%，ONOO?降低了87.1%。这种清除作用依赖于表面结合的Zn2?复合物，这些复合物通过可逆的界面-溶液电子转移过程实现...

数据材料的可用性
不适用。

伦理批准和参与同意
不适用。

数据材料的可用性
本研究的支持材料可在线获取。

作者贡献
Anwar Ahmad：项目管理、调查、资金获取、撰写初稿和概念构思；
Zaiba Ali：数据收集、撰写和审稿初稿；
Abdullah A Almayeef：审稿、数据总结和计算；
Mustafa H. Almadih：审稿最终稿件和编辑；
Olimjon TOIROV：审稿和撰写手稿；
Abdullah S. Al Nasser：编辑最终稿件和整理审稿意见；

参考文献
Li, 2025, Li等人, 2026, Li等人, 2025, Liu, 2026, Lu, 2025, Sies和Jones, 2025, Sun, 2025, Wang, 2026, Wang等人, 2025, Wang, 2025, Cecconet, 2025, Zhang和Angelidaki, 2025, Chen, 2025

作者贡献声明
Anwar Ahmad：撰写-审稿与编辑、撰写初稿、监督、资源获取、概念构思；
Zaiba Ali：撰写-初稿、可视化、项目管理、调查、资金获取；
Abdullah A Almayeef：撰写-审稿与编辑、可视化、监督、方法学、数据管理；
Mustafa H. Almadih：撰写-初稿、验证、项目管理、数据分析、概念构思；
Olimjon TOIROV：审稿；

利益冲突声明
作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢
作者 heartfeltly 感谢沙特阿拉伯卡菲尔费萨尔大学（King Faisal University）中央实验室的支持，以及Prince Nourah bint Abdulrahman大学提供的财务支持（项目编号PNURSP2026R797），资助了与基于污泥的微生物电解用于生物质发电相关的微生物特征分析和实验评估。作者还感谢Anwar Ahmad教授、Energy and Environment–Sustainable Technology团队的支持。