利用水力动能的厌氧氨氧化-硫化锌生物杂化系统去除硝酸盐

《Water Research》：Nitrate removal by anammox-ZnS biohybrid system utilizing hydraulic kinetic energy

　　

**摘要**

低碳废水中的硝酸盐（NO3-）去除对常规反硝化过程而言具有挑战性，因为其需要外部电子供体。厌氧氨氧化菌（Anammox bacteria）可利用胞内糖原通过硝酸盐异化还原为铵（DNRA）途径还原硝酸盐，但该内源过程动力学缓慢且糖原储备有限。在此，我们将厌氧氨氧化菌与压电硫化锌（ZnS）纳米颗粒耦合，在机械搅拌（模拟水力动能）下构建了压电驱动硝酸盐还原系统。该系统在 30 小时内实现了模拟废水（50 mg-N/L NO3-）中 NO3- 和总氮（TN）的完全去除，与仅内源 DNRA 驱动组相比，硝酸盐还原效率提高了约 2.7 倍，且未检测到一氧化二氮（N2O）。抑制剂实验证实 NO3- 转化遵循 DNRA-厌氧氨氧化耦合途径，且由 ZnS 纳米颗粒机械搅拌产生的压电电子作为可持续的外源电子源。转录组分析显示，与胞外电子传递（EET）、DNRA 和呼吸链相关的基因协同上调，而与糖酵解相关的基因下调，反映出代谢从利用内源糖原向利用外源电子的转变。总体而言，本研究克服了厌氧氨氧化内源 DNRA 的动力学和电子源限制，提供了一种植水力动能驱动、低碳且无 N2O 排放的低碳废水去除 NO3- 策略。

**引言**

水体硝酸盐（NO3-）污染已成为全球紧迫的环境问题，主要驱动因素包括氮肥的过度使用、工业废水排放以及生活污水的不当处理（Li et al., 2025; Wang et al., 2019）。一旦进入水生环境，高水平的 NO3- 会导致富营养化和耗氧，破坏生态平衡（Aziz et al., 2025）。此外，饮用水中的硝酸盐会带来健康风险，主要因为它在体内被还原为亚硝酸盐（NO2-），而亚硝酸盐是与多种疾病直接相关的致病因子，包括胃癌（Forman et al., 1985）、高铁血红蛋白症（Ward et al., 2005）和结直肠癌（Cisneros et al., 2025）等。因此，严格的排放限值（例如中国总氮（TN）为 15 mg-N/L）和饮用水标准（例如中国和世界卫生组织分别为 10 和 11.2 mg-N/L NO3-）要求采用有效且经济的 NO3- 去除技术（Cotruvo, 2017; National Health Commission, 2022.; Xu et al., 2020）。

常规生物 NO3- 去除依赖于反硝化，这需要额外的电子供体。然而，许多硝酸盐污染的水体（例如地下水、二级出水）缺乏足够的有机碳，迫使添加外部碳源——这增加了运行成本并带来残留有机物或二次污染的风险（Chen et al., 2025）。厌氧氨氧化（anammox）作为一种高能效的脱氮过程，因其无与伦比的技术优势在废水处理领域引起了广泛关注（Shaw et al., 2020; Zhao et al., 2024）。通常，厌氧氨氧化菌可在厌氧条件下直接将铵（NH4+）作为电子供体、NO2- 作为电子受体转化为氮气（N2）和 NO3-（方程 1）（Kuenen, 2020）。
NH4+ + 1.32NO2- + 0.066HCO3- + 0.13H+ → 1.02N2 + 0.26NO3- + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O
然而，一些发现揭示厌氧氨氧化菌具有此前被低估的代谢 versatility，包括利用小分子有机酸（例如甲酸、乙酸和丙酸）作为电子供体，通过硝酸盐异化还原为铵（DNRA）途径还原 NO3-（Kartal et al., 2007）。此外，我们之前的研究证明厌氧氨氧化菌可以利用其他电子供体，例如光激发电子（Guo et al., 2024）和胞内糖原（Wang and Qiao, 2023; Wang et al., 2021），通过 DNRA 途径还原 NO3-。利用光激发电子，厌氧氨氧化实现了 91% 的总氮去除效率（Guo et al., 2024）。在胞内糖原的支持下，该内源 DNRA 途径结合常规厌氧氨氧化反应，使单一厌氧氨氧化生物量在序批式反应器中实现了超过 95% 的总氮去除效率，超过了理论上的 89% 限制（Wang et al., 2023）。然而，识别出了两个关键限制：(1) 通过内源 DNRA + 厌氧氨氧化途径的硝酸盐降解速率相对较低（仅为 0.23 mg N/g VSS/h）（Wang et al., 2021）；(2) 胞内糖原池是有限的，一旦耗尽，DNRA 活性就会停止，直到糖原得到补充（Wang et al., 2023）。这些约束阻碍了厌氧氨氧化内源 DNRA 在连续硝酸盐去除中的进一步应用。

最近有报道指出，通过机械搅拌压电鸟粪石产生的压电电子，可以直接被脱硫硝化硫杆菌（Thiobacillus denitrificans）通过胞外电子传递（EET）通道吸收，从而实现完全硝酸盐还原，无需其他外部电子供体（Ye et al., 2024），这一过程被称为“细胞压电敏化”（CPS）途径。然而，这种水力动能驱动的反硝化过程会产生大量的一氧化二氮（N2O）——一种强效温室气体——占含氮产物的比例高达 64.5%，归因于活性氧抑制了 N2O 还原酶（Ye et al., 2024）。在考虑水力动能驱动脱氮过程的整体环境效益时，这是一个不容忽视的缺点。值得注意的是，厌氧氨氧化菌具有独特的基于肼的代谢途径，完全避免了 N2O 的形成（Kartal et al., 2011）。此外，研究表明厌氧氨氧化菌具有 EET 能力，使它们能够从不溶性电子供体或 poised 电极接受电子（Shaw et al., 2020）。因此，将厌氧氨氧化菌与合适的压电材料耦合，可能克服内源 DNRA 的两个限制（速率慢和碳有限），同时避免 N2O 排放，从而建立一种新型、低碳、高率的硝酸盐去除技术。

在此，我们通过将厌氧氨氧化菌与压电硫化锌（ZnS）——一种无毒、环保且化学性质稳定的材料——耦合，提出了一种新颖的压电驱动硝酸盐还原系统。在本研究中，采用机械搅拌来模拟水力动能，这是水生环境中自然机械能的主要形式（例如水流、水力剪切和潮汐波动）。我们假设在机械搅拌下，ZnS 产生的压电电子可以通过其 EET 途径被厌氧氨氧化菌直接吸收，为硝酸盐还原提供有效的电子供应。为了验证这一假设，构建了一个压电厌氧氨氧化-ZnS 生物杂化系统，并进行了全面的材料表征、脱氮性能评估、选择性抑制剂实验和转录组分析，以阐明潜在的电子传递途径。我们证明了由 ZnS 在机械搅拌下产生的压电电子通过 EET 通道进入厌氧氨氧化菌的 DNRA 途径，实现了近乎完全的 NO3- 和 TN 去除，且未检测到 N2O。这项工作不仅克服了内源 DNRA 的动力学和碳源约束，还建立了一种机械能驱动、低碳且无 N2O 排放的硝酸盐去除过程。

**章节片段**

**压电 ZnS 纳米颗粒的合成与表征**
通过水热法合成了 ZnS 纳米颗粒（Feng et al., 2020; He et al., 2016）。典型地，将 0.01 mol 醋酸锌二水合物（Zn(CH3COO)2·2H2O）和 0.01 mol L-半胱氨酸（C3H7NO2S）溶解在 60 mL 去离子水中。完全溶解后，将溶液转移至 100 mL 聚四氟乙烯内衬不锈钢高压灭菌罐中，在 160°C 下加热 12 小时。收集沉淀物，用去离子水和无水[乙醇]洗涤数次。

**通过厌氧氨氧化-ZnS 生物杂化系统的压电还原 NO3-**
在此，通过水热法合成了 ZnS 压电材料。XPS 分析结果表明，合成的材料主要由 Zn2+ 和 S2- 组成（图 S2）。合成的 ZnS 的 XRD 图谱显示出与标准卡片（JCPDS 文件 # 80-0020）完美匹配的明显衍射峰（图 1A）（Chandrika et al., 2025）。上述结果证实了目标材料的成功合成。在 PFM 分析结果中，定义明确的...

**转录组分析揭示的厌氧氨氧化菌压电驱动硝酸盐还原的分子机制**
CV 结果证实了 ZnS-生物量界面电子传递的电化学可行性，而转录组变化提供了关于压电电子促进硝酸盐去除的机制见解。编码 C 型细胞色素和铁氧还蛋白的 EET 相关基因的协同上调表明，厌氧氨氧化菌增强了捕获来自 ZnS 产生的外源压电电子的能力。C 型细胞色素是公认的微生物中关键的电子载体...

**结论**
总之，本研究通过将厌氧氨氧化菌与压电 ZnS 纳米颗粒耦合，成功构建了一种新颖的压电驱动硝酸盐还原系统。该系统在机械搅拌下实现了 NO3- 和 TN 的快速完全去除，与内源 DNRA 驱动的厌氧氨氧化系统相比，硝酸盐去除效率提高了约 2.7 倍。重要的是，在整个过程中未检测到 N2O 排放。选择性抑制剂实验证实了...

**作者贡献**
S.Q. 和 C.W. 设计并分析了实验；C.W. 进行了实验；X.D. 和 C.W. 撰写了论文，S.Q. 审阅并修改了草稿。

**利益冲突声明**
作者声明没有利益冲突。

**CRediT 作者贡献声明**
Chao Wang: 撰写 – 原稿，方法论，调查，资金获取。Xiumei Duan: 撰写 – 原稿，资金获取。Sen Qiao: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，资金获取。

Chao Wang | Xiumei Duan | Sen Qiao
教育部工业生态学与环境工程重点实验室，大连理工大学环境科学与技术学院，中国大连 116024。