《Journal of Hazardous Materials Advances》：Electrocatalytic membrane bioreactor for nitrate reduction by integration of
Thiobacillus denitrificans with electroconductive and porous carbon nanotube ultrafiltration membranes
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电催化膜生物反应器通过将脱氮硫杆菌（*Thiobacillus denitrificans*）与导电且多孔的碳纳米管超滤膜（carbon nanotube ultrafiltration membranes）相结合，实现了硝酸盐的还原。本研究首次将碳纳米管超
电催化膜生物反应器通过将脱氮硫杆菌（*Thiobacillus denitrificans*）与导电且多孔的碳纳米管超滤膜（carbon nanotube ultrafiltration membranes）相结合，实现了硝酸盐的还原。本研究首次将碳纳米管超滤膜阴极与*Thiobacillus denitrificans*进行耦合。生物电催化作用使硝酸盐去除速率较非生物速率提高了13倍以上。叠氮化物（azide）抑制实验和开路（open-circuit）对照实验证实了该增强效果源于微生物代谢活动。在连续流模式下，采用该反应器处理真实地下水超过30天，硝酸盐去除速率达到1338 mgN·m?2·d?1。
### 论文解读文章
**一、研究背景与科学问题**
地下水是全球最主要的饮用水源，但其可用性常因多种污染物而受到限制。其中，硝酸盐污染主要源于集约化农业活动，已被世界卫生组织列为地下水中危险的无机污染物，欧盟指令规定饮用水中的硝酸盐最大允许浓度为11.3 mg N-NO??·L?1。传统的硝酸盐污染地下水处理技术，如离子交换、反渗透和反向电渗析，虽然有效但能耗高且产生需要进一步处理的盐水废物。相比之下，生物反硝化能将硝酸盐还原为无害的氮气终产物，具有环境和经济效益。然而，硝酸盐污染的地下水通常缺乏足够的电子供体来支持还原反应，需要持续添加醋酸盐或氢气等化学物质。
为避免化学药剂投加，电生物修复作为一种基于微生物电化学技术（METs）的可持续地下水处理方法被提出。METs利用电活性微生物与固体电极进行氧化还原反应的能力，以阳极和阴极分别作为几乎取之不尽的电子受体和电子供体。在此背景下，自养反硝化可以在阴极实现，利用地下水中常见的无机碳（如碳酸氢盐）作为微生物代谢的碳源，无需外部化学输入。然而，电生物修复的实际应用面临挑战：已开发出的电催化膜通常孔径较大，且微生物在膜表面的选择性粘附有限，导致部分微生物生物质可能释放到处理后的出水中，需要额外的后处理步骤进行澄清和消毒。
电催化膜反应器（ECMRs）作为同时分离和降解污染物的新兴平台备受关注。然而，现有ECMRs仍存在催化活性低、实际条件下不稳定、长期性能有限等局限性。将ECMRs与活的、自我再生的微生物生物催化剂相结合，代表了一种变革性策略。据研究人员所知，此前尚无研究探索将碳纳米管涂覆的超滤膜同时作为阴极和过滤单元，与纯培养的电活性自养反硝化菌（如*Thiobacillus denitrificans*）进行特定耦合，这凸显了本研究的创新性。
**二、研究目标与实验设计**
研究人员开发了一种新型硝酸盐电生物修复系统，由碳布阳极和碳纳米管涂覆的导电膜阴极组成。该阴极膜作为支持硝酸盐生物电还原的电活性界面，同时充当过滤元件，从而提供一个集成平台，用于研究膜分离、电催化和自养反硝化之间的协同相互作用。研究不仅在受控合成条件下验证了系统性能，还在连续流模式下处理真实硝酸盐污染地下水，提供了超越实验室规模合成基质的性能证据。
**三、主要关键技术方法**
研究人员采用了以下主要关键技术方法：（1）电化学阻抗谱（EIS），用于表征接种*Thiobacillus denitrificans*前后导电膜的电荷转移电阻变化；（2）代谢抑制实验，使用叠氮化钠（sodium azide）阻断微生物电子传递链，以确证硝酸盐还原增强的生物学来源；（3）开路对照实验，在相同接种条件下不施加电流，以区分电极极化与微生物代谢的各自贡献；（4）膜表面理化表征，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）和三维激光显微镜，用于分析膜在生物电化学操作前后的形态、表面化学和结构变化。研究中使用的*Thiobacillus denitrificans* DSM 12475为纯培养菌株，真实地下水样本取自西班牙加泰罗尼亚Navata农村地区的硝酸盐污染含水层。
**四、研究结果**
**4.1 非生物电催化硝酸盐还原与膜渗透性能评估**
在非生物条件下，施加2 mA恒定电流（阴极电流密度0.32 mA/cm2）时，CNT涂覆膜阴极在约50小时滞后阶段后表现出电催化活性，在约10天内实现接近完全的硝酸盐非生物去除。归一化至阴极几何表面积（6.25 cm2）的硝酸盐去除速率为72 mgN·m?2·d?1。整个实验过程中未检测到亚硝酸盐、一氧化二氮或氨的积累，表明硝酸盐被完全还原为氮气。无电流对照实验中，硝酸盐浓度下降不到初始浓度的10%，证实电化学驱动而非物理吸附是去除的主要机制。膜的水渗透系数测定为2379 ± 220 L·m?2·h?1·bar?1，证实了膜适合电化学过滤应用。
**4.2 Thiobacillus denitrificans增强的生物电催化硝酸盐还原**
接种*Thiobacillus denitrificans*后，所有三个批次循环均实现硝酸盐完全去除，且未检测到亚硝酸盐和铵的积累。第一个生物循环中，最大硝酸盐去除速率达到609 mgN·m?2·d?1，较非生物条件提高8倍以上。后续循环中去除速率进一步提高至1017 mgN·m?2·d?1和972 mgN·m?2·d?1，分别超过非生物条件的13倍。循环间的速率差异归因于微生物在电极表面的生长和适应。EIS测量显示，生物条件下的半圆直径显著减小，表明电荷转移电阻明显下降，这归因于生物膜的形成和增强的微生物导电性。叠氮化钠抑制实验显示，加入抑制剂后硝酸盐去除速率立即下降8倍至69 mgN·m?2·d?1，与非生物电催化速率高度吻合。开路对照实验中，接种后的硝酸盐去除速率降至64 mgN·m?2·d?1，表明有效的微生物反硝化需要电极极化而非单纯的微生物活性。
**4.3 连续流模式下真实地下水的硝酸盐去除**
将系统从批次模式切换至连续流模式，以0.3天的水力停留时间（HRT）处理来自西班牙Navata地区硝酸盐污染含水层的真实地下水。尽管地下水导电率较低（885.3 ± 24.2 μS·cm?1），系统在约820小时的运行中实现了稳定的氮去除速率（NRR）1338 ± 89 mgN·m?2·d?1，渗透通量维持在26 L·m?2·h?1。然而与批次实验不同，连续流条件下出水中出现了4.46 ± 0.42 mgN·L?1的亚硝酸盐积累。研究人员分析认为，电流供给并非限制因素，因为施加电流密度对应的电荷量超过完全还原所去除氮负荷理论电子需求的约6倍。亚硝酸盐积累更可能归因于短HRT下硝酸盐和亚硝酸盐还原酶活性之间的动力学不匹配，以及生物膜内的扩散梯度。
**4.4 CNT涂覆膜的理化与结构演变**
对CNT涂覆膜在累积约2110小时（约88天）的生物电化学操作后进行了全面表征。SEM分析显示有限且不均匀的表面污损沉积物，可能来源于无机结垢和有机聚集。操作后膜表面粗糙度增加了约74%（从0.77 ± 0.16 μm增至1.34 ± 0.23 μm）。XPS分析显示O1s信号几乎翻倍，表明表面含氧官能团（羟基、羰基等）增加，有利于提高亲水性和防污性能。N1s信号的出现表明表面污损物中含有有机成分。XPS全谱检测到显著的Si2p信号（23.7 at.%），支持污损物部分为无机硅垢的结论。拉曼光谱显示，操作后I_D/I_G比值从约0.9降至约0.75-0.8，表明石墨化程度提高和结构缺陷减少，这与含氧官能团的还原和碳框架的退火效应一致。
**五、讨论与结论**
研究人员通过三方面独立证据确证了生物增强的机制：无电流条件下硝酸盐吸附去除不足初始浓度的10%；叠氮化钠代谢抑制和开路对照实验的速率均收敛于非生物基线；EIS独立证实了微生物定殖后电荷转移电阻的降低。这些结果共同证明，电极极化和微生物代谢单独均不能解释所观察到的性能，两者在膜界面上协同发挥作用。
研究结论表明，CNT涂覆超滤膜可以在单一反应器单元中同时作为电催化阴极、*Thiobacillus denitrificans*的支持载体和过滤元件。非生物条件下膜的固有电催化硝酸盐去除速率为72 mgN·m?2·d?1，接种后提高超过13倍至1017 mgN·m?2·d?1。在实际污染地下水的连续流运行中，即使进水导电率低于1 mS·cm?1，系统仍以0.3天HRT在30余天内维持1338 ± 89 mgN·m?2·d?1的平均氮去除速率。
研究人员同时指出了研究的局限性：系统仅在单一电流密度和单一水力停留时间下运行，未进行系统参数优化；生物膜发育仅通过间接的电化学和表面表征数据推断，缺乏直接的形态学或组成分析；操作后发现膜污损（包括无机硅垢），可能限制长期渗透性；出水质量尚未达到硝酸盐和亚硝酸盐的监管限值。尽管如此，约88天累积运行中持续的生物电催化活性，以及在真实污染地下水基质和实际水力条件下的稳定性能，确立了该集成方法的技术可行性，并为其优化提供了定量基准。
