毛艳萍研究团队在光催化耦合微生物还原硝酸盐方面取得新进展

苹果版bd 化学与环境工程学院毛艳萍课题组在期刊《Environmental Science and Ecotechnology》（影响因子12.6，中科院JCR 1 区）上发表了题为《Enhanced nitrate reduction in hypotrophic waters with integrated photocatalysis and biodegradation》的论文。苹果版bd 化学与环境工程学院硕士研究生薛冰洁和田里为论文共同第一作者，苹果版bd 化学与环境工程学院为第一署名单位。

目前，氮污染对水环境和人体健康造成了极大威胁，城镇污水处理厂常利用反硝化菌进行硝酸盐的还原，以达到脱氮的目的。反硝化菌多为异养微生物，对有机碳需求量大，而反硝化过程常发生在污水处理的后段，有机碳源不足在一定程度上抑制了硝酸盐的去除。尤其在当前污水处理厂提标扩能的大背景下，要求进一步提高污水脱氮效率，亟待开发新的污水处理工艺，以提升脱氮效果。

光催化与生物降解紧密耦合技术（Intimatelycoupling of photocatalysis and biodegradation, ICPB）结合了光催化反应和微生物处理的优点，是一种新型的去除生物难降解污染物的技术，研究表明ICPB对硝酸盐具有较好的还原效果。然而，ICPB在低碳条件下还原硝酸盐的效果尚不明确，其微生物代谢机制及菌群结构功能变化需进一步研究。因此，本研究制备了促进硝酸盐光催化反应的催化剂，驯化了稳定高效的生物膜构建ICPB体系。利用物化表征测试手段和分子生物学方法探究不同影响因子对ICPB去除硝酸盐的效果，揭示低碳条件下系统中光催化与微生物降解的协同作用机理，阐明微生物的菌群结构和功能变化规律，为低碳水体中硝酸盐的还原提供了科学依据和技术支持。

图1 ICPB载体和反应器示意图

本研究共制备了12种光催化剂，其中以硫脲作为前驱体制备的g-C₃N₄，与TiO₂以1:2比例复合制备的TiO₂/g-C₃N₄具有最好的硝酸盐还原效率。形貌表征结果证实了g-C₃N₄与TiO₂的有效结合，且该催化剂具有最低的光生载流子复合速率和最窄的禁带宽度，为其优异的光催化性能提供了保障。使用该催化剂搭建ICPB反应器用于还原硝酸盐，发现与传统生物降解相比，ICPB可以将硝酸盐还原效率提高17%，氮转化效率提高11%。在低有机碳条件下，ICPB利用比生物降解少12.2%的有机碳，能将硝酸盐还原率提高26.3%。此外，ICPB还能有效提高氮气生成效率，抑制不良中间产物的积累。

图2 十二种光催化剂的硝酸盐还原曲线

（T：硫脲；M：三聚氰胺；D：二氰二胺；U：尿素；比例为TiO₂: g-C₃N₄）

图3 ICPB和生物降解（B）过程中NO₃⁻, NO₂⁻(a, b), NH₄⁺(c, d) 和 TOC (e, f)的浓度变化

通过对细菌群落的多样性分析发现，在ICPB反应后微生物群落的丰富度和均匀度下降，功能性细菌可能被富集。通过微生物群落分析发现，随着ICPB循环次数的增加，在氮循环中起重要作用的菌属逐渐占据主导地位。此外，系统中的厌氧代谢逐渐取代了好氧代谢。系统的微生物群落朝有利于硝酸盐还原的方向演变。

图4 ICPB反应前后相对丰度大于1%的优势菌属

为进一步探索微生物群落中氮代谢功能的变化，本研究分析了与氮循环相关的代谢通路与功能基因，发现ICPB反应后与氮循环相关的代谢通路和功能基因丰度均显著增加（图5）。此外，本研究还推断了ICPB系统中可能存在的硝酸盐代谢途径（图6）。通过对反硝化代谢相关基因的定量分析，ICPB系统在基因水平上对氮的去除潜力得到了证明，这有利于进一步研究ICPB的反硝化机制。

图5 ICPB反应前后与氮循环相关的代谢通路和功能基因变化

图6 ICPB体系氮代谢通路模型

本研究得到了广东省自然科学基金、深圳市自然科学基金（高等院校稳定支持计划）的支持。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666498424000048