《Bioresource Technology》：Drinking water purification by electron transfer from dissolved organic carbon to microorganisms via dual-electric centers
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生物过滤器中填充了在A?O?表面上与Fe、Al复合的类石墨烯（GL）材料。
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生物过滤器能够同时去除
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生物过滤器中填充了在A?O?表面上与Fe、Al复合的类石墨烯（GL）材料。
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生物过滤器能够同时去除原水中的DBPs前体物质和抗生素。
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该生物过滤器实现了对砂滤水的多目标净化。
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DOC与Fe、Al-GL/A?O?的配位作用产生了强烈的表面电场。
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这些效果源于DOC→GL→Fe物种→EPS→微生物的电子转移过程。
引言
溶解有机碳（DOC）作为天然有机物（NOM）和微污染物的复杂混合物，在原水中普遍存在，这导致了消毒副产物（DBPs）、机会性病原体（OPs）和抗生素抗性基因（ARGs）的滋生（McCurry, 2024; Sedlak and Gunten, 2011; Tr?ger et al., 2021; Wang et al., 2024）。由于广泛使用的消毒剂（如游离氯、氯胺、二氧化氯）容易与NOM中的富电子基团（-OH、-NH?、-OCH?、胺类、烯烃和芳香环）发生反应，这些基团成为DBPs的主要前体（Rougé et al., 2020; Yang et al., 2022b）。这些易氧化的碳源促进了OPs和胞外聚合物物质（EPS）的生成（Alvarino et al., 2018; Knackmuss, 1996），而EPS尤其是含氮DBPs（N-DBPs）是另一类重要的DBPs前体（Wang et al., 2013, 2012）。此外，微污染物（如抗生素）对微生物造成的压力增加了EPS和ARGs的产生（Wang et al., 2013）。因此，去除DBPs前体和微污染物是保证饮用水安全的关键。
众多传统处理工艺被用于应对这一挑战，但在不断发展变化的环境下，这些工艺的局限性日益明显。依靠活性物种（如活性氧和活性氯物种）的高级处理工艺可以有效去除DBPs前体和微污染物。然而，它们的非选择性可能导致已知DBPs（如三卤甲烷和卤乙酸）及未知DBPs的生成（Morrison et al., 2023; Wang et al., 2017; Xiang et al., 2020）。基于膜的方法（如纳滤和反渗透）仍面临诸多问题，包括污染、处理高浓度盐水的困难以及较高的运营成本（Guo et al., 2021）。因此，非氧化方式下选择性去除DBPs前体和微污染物是一种既环保又经济的方法，有助于解决饮用水安全问题。
阳离子与芳香体系的四极矩之间的静电吸引力是主要作用机制，其强度受阳离子和芳香体系性质的影响（Zhao & Zhu, 2020）。目前已开发出一系列具有阳离子-π相互作用的双电中心催化剂，这些催化剂在无需外部能量的情况下表现出极强的去除微污染物和NOM的能力（Wang et al., 2025, 2022b, 2022c）。其独特性能源于催化剂表面电子贫乏区域对微污染物/NOM的氧化以及电子富集区域对O?的还原，这种氧化还原过程得益于它们之间的配位作用所产生的增强电场。此外，原水或城市废水中的DOC能够显著促进微污染物的去除。研究表明，DOC通过与微污染物的NOM π-π相互作用形成极性复合物，从而增加微污染物在催化剂表面的结合和电子转移，进而加速其降解（Wang et al., 2022b）。在实际水中，DOC同样能与微污染物形成极性复合物，将芳香体系中的电子传递给微污染物的带电基团，从而实现DBPs前体和微污染物的同步去除。
最近，我们开发了具有阳离子-π相互作用的铜/铁配位类石墨烯催化剂（GL-Cu-Al?O?/氧化铝和Fe, Al-GC/γ-Al?O?），可用于生物过滤器中处理含有抗生素的制药废水和城市废水，且无需外部能量输入，能够有效分解抗生素并减少ARGs（Cai et al., 2026; Zhang et al., 2026）。DOC、抗生素和EPS在双电中心处的协同作用进一步增强了Cu/Fe的静电吸引力，促进了从抗生素到微生物的电子转移，实现了抗生素的分解。这些发现显示了该技术在去除微污染物、DBPs、OPs和ARGs方面的巨大潜力，有助于确保饮用水安全。
本研究采用双电中心催化剂Fe, Al-GL/A?O?对中国南部某饮用水处理厂砂滤水进行了深度处理。该生物过滤器显著降低了出水中的抗生素、ARGs、DBPFP和OPs含量。基于Fe, Al-GL/A?O?的特性，DBPs前体和抗生素得到了选择性同步分解。此外，通过DOC与EPS在双电中心处的配位作用，建立了从DOC→GL→Fe物种→EPS→微生物的界面电荷转移通道。微生物作为电子受体促进了电子的持续传递，从而实现了DOC的分解。因此，这项研究实现了多目标饮用水净化，为解决饮用水安全问题提供了新的实用策略。
章节片段
Fe, Al-GL/A?O?生物过滤系统的搭建与运行
Fe, Al-GL/A?O?催化剂被用作连续流式柱状生物过滤器（图S1）的填充材料，用于处理中国南部某饮用水处理厂的砂滤水。实验规模生物过滤器的反应体积、水力停留时间和操作温度与净水厂的BAC工艺相同。具体来说，生物过滤器反应器的高度和直径与...（原文此处信息缺失）
Fe, Al-GL/A?O?生物过滤器中的多目标污染物去除
Fe, Al-GL/A?O?生物过滤器被用于处理饮用水厂的砂滤水，运行时间为258天。通过靶向高通量监测方法检测到19种抗生素，其中6种被鉴定出来（表S3）。具体而言，磺胺甲噁唑、磺胺诺甲噁唑、克拉霉素、氟苯尼考和噻吩卡星的去除效率分别为100.0%、52.3%、25.3%和1.6%，总去除效率达到31.8%（图1a）。
结论
从原水中同步去除DBPs前体和微污染物仍然是确保饮用水安全的科学挑战。本文建立了双电中心Fe, Al-GL/A?O?生物过滤器，并将其应用于中国珠江水源的长期砂滤水处理。该过滤器实现了多目标污染物的去除，包括抗生素、ARGs、DBPFP和OPs的减少。
CRediT作者贡献声明
杨周志豪：撰写初稿、数据可视化、方法論设计、数据分析、数据整理。 蔡武：撰写初稿、数据可视化、方法論设计、数据分析、数据整理。 廖伟祥：方法論设计、资金争取。 王绍杰：数据可视化、数据分析。 邢雪慈：方法論设计、资金争取。 张莉莉：方法論设计、数据分析。 张鹏：数据可视化、数据分析。 王玉萌：审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：U25A20806、52300038、52470002）的支持。
作者：杨周志豪 | 蔡武 | 廖伟祥 | 王绍杰 | 邢雪慈 | 张莉莉 | 张鹏 | 王玉萌 | 胡春
