综述：通过压电和铁电增强的生物混合系统驱动氮转化

《Bioresource Technology》：Driving nitrogen conversion through piezoelectric and ferroelectric enhanced biohybrid systems

　　无生命–生命协同为低能耗氮去除提供了新范式。压电/铁电效应可引导硝酸盐还原和氨氧化。标准化方案与原位分析对于可靠的应用至关重要。环境中的机械能（例如水流）可实现自供电处理。引言解决普遍存在的环境氮污染是一项严峻的全球性挑战，因为它对生态系统和人类健康有危害性影响。人类活动显著改变了自然氮循环，并在各类环境介质中（尤其是在水生系统中）导致了活性氮化合物（例如氨氮（NH??）、亚硝酸盐（NO??）、硝酸盐（NO??））的累积（Mason 等，2022；Theerthagiri 等，2022）。这些物质通常相互转化；但要从环境中最终去除它们，往往需要将其转化为惰性的氮气（N?）。处理不达标会导致活性氮排放，引发生物多样性丧失和富营养化，并造成温室气体（例如一氧化二氮，N?O）排放（Xiong 等，2024；Zhang 等，2024）（图 1a–d）。虽然用于氮去除的生物技术和物理化学技术已相当成熟，但它们的实际性能常常受到高能耗或高化学品需求、二次废物产生、严格的氧化还原控制、需要额外电子供体以及对进水条件波动适应性有限等因素的制约（Farghali 等，2024；Huang 等，2024；Zhu 等，2022；Dan 等，2025）。生物氮转化过程基本上受限于反应动力学不足的瓶颈，这超出了特定电子供体或碳源限制的范围。这些瓶颈可归因于特定微生物菌群对环境波动（温度、毒物、pH）的适应性差、连续系统中功能性微生物的快速流失，以及构建理想生态位和协同微生物群落（例如通过直接种间电子传递，DIET）所需的漫长周期（Liu 等，2024）。此外，现有技术在光、化学能或电能载体的利用效率上往往较低，电子密度向催化剂/酶活性位点的供给不足，反应性中间产物的积累可能具有毒性或产生不需要的副产物（例如 N?O），以及在通过复杂代谢途径精确调控电子流动方面也存在挑战（Bian 等，2024；Guo 等，2019）。这些系统性限制迫切需要技术创新，以实现氮转化过程中快速反应速率与高能效的统一。污水处理厂中的机械能（例如由混合和曝气产生的能量）长期以来主要被视为物理均质化的方式。然而，《Nature Water》上最近的一项研究表明，生物矿物鸟粪石内在的压电性可将环境机械能转化为生物可利用的电信号，从而在压电–生物杂化体系中刺激电活性反硝化菌，实现高效的硝酸盐还原（Ye 等，2024）。受这些进展的启发，我们提出一个关键的框架，以推动压电/铁电（P/F）效应从实验室概念验证走向环境氮转化的实际应用。然而，这一转化受到若干核心科学瓶颈的限制。为明确本综述的范围，我们围绕三个核心科学问题来组织论述，这些问题同时也构成了本综述的结构：(1) 这些材料在环境相关的低频机械能下，能否产生足以驱动氮循环关键热力学步骤的电化学势？(2) 在复杂的材料–水–微生物界面，介导生物过程和化学选择性（例如 N? 与 N?O/NH?）的具体电子迁移途径是什么？(3) 如何在实验上将纯粹的 P/F 效应与共现现象（例如声化学或热效应）解耦？相应地，第 2 节介绍与问题（1）相关的基础 P/F 材料和机理原理。第 3 节探讨与问题（2）相关的非生物和生物杂化氮转化机制。第 4 节讨论表征和验证策略，以解决问题（3）。第 5 节总结总体挑战和未来研究的新兴前景。章节摘要P/F 催化的基本原理驱动氮转化的科学基石在于 P/F 材料将机械刺激转化为局部电场形式的能力。因此，要全面理解这一过程，必须先理解支配这些效应的基本原理，然后才能延伸至承载这些效应的材料。相应地，除了仅仅列举候选材料之外，本节还将针对关键的性能权衡，批判性地评估这些材料的优势、局限以及性能折衷。P/F 驱动氮转化的机理见解P/F 材料可以通过不同的途径驱动氮转化反应，包括生物化学途径（调控微生物活性）或化学途径（直接催化效应），而这些途径往往协同作用。压电催化环境氮转化的生物物理效应与原位表征本表征技术的概述表明，未来需要转向多模态的原位与动态表征策略，才能确定性地回答引言中提出的核心机理性问题；同时，单一方法仅能提供特定维度的信息。环境适用性与可持续性评估P/F 材料在环境氮转化中的实际应用需要高催化性能，并对其在复杂环境系统中的成本效益、能量激发可行性和环境安全性进行深入评估。这些因素直接决定该技术的可持续性与推广潜力。未来展望与研究方向P/F 材料在环境氮转化中的应用仍处于探索阶段，但已显示出相当大的潜力。该领域的突破将有赖于环境工程、生物技术、材料科学与电化学的深度融合。有四个关键方向值得深入研究。CRediT 作者贡献声明Yanan Jiang：撰写——初稿、形式分析、数据整理。Ying Xu：撰写——初稿、方法论、调研。Xiaochuan Tang：验证、调研。Shifei Kang：撰写——审阅与编辑、监督、构思。Zhen Sun：撰写——审阅与编辑、监督、构思。Di Sun：撰写——审阅与编辑、监督、构思。未引用参考文献Atsbha 等，2024；Duhamel，2025；Hadke 等，2025；Li 等，2025；Li 等，2025；Li 等，2024；Liu 等，2024；Liu 等，2020；Wu 等，2020；Xue 等，2021；Zhang 等，2018。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作得到了国家重点研发计划（2023YFD2401000）、国家自然科学基金（82171954、82371973、32503197）、上海市自然科学基金（23ZR1444100、25ZR1402585）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金 CAFS（2025XT0206）的资助。Yanan Jiang｜Ying Xu｜Xiaochuan Tang｜Shifei Kang｜Zhen Sun｜Di Sun