科学家揭示全新微生物代谢方式，硝酸盐去除率均接近100%，为废水反硝化提供新范式

“总的来说，不同于传统的光能代谢和化学能代谢，我们揭示了一种全新的微生物代谢方式，阐明了废水处理中尚未发现的新型能量-微生物-元素转化的互作关系，为废水反硝化提供了新的研究范式和技术策略。”福建农林大学副校长周顺桂教授表示。

近日，他和团队提出一种机械能驱动生物脱氮的方法，这是一种通过细胞压电敏化的新型生物脱氮方法，和异养、自养、生物电化学脱氮等传统方法有着本质区别。

通过结合压电电子学与电微生物学，该课题组证实由机械能驱动压电材料所产生的电化学能，可以作为微生物生长代谢的能量来源。

研究中，该团队使用脱氮硫杆菌（Thiobacillus denitrificans），来作为模式硝酸盐还原菌株。

以废水中常见的鸟粪石（磷酸镁铵）作为压电材料，实现了高效的废水生物反硝化。在5个周期的实验中，硝酸盐去除率均接近100%。

机理分析表明：在机械应力的作用之下，鸟粪石会发生极化，最大电位值约为1.0V，高于 T. denitrificans 膜结合活性位点的氧化还原电位，故能促进电子从鸟粪石、传递到外膜受体位点，进而驱动硝酸盐的还原。

转录组学分析结果表明：在机械搅拌之下，那些在电子传递过程中起关键作用的周质细胞色素c4、以及氢化酶，它们的基因表达出现显著上调。

进一步的研究显示：在实际废水处理中，压电反硝化效应能将硝酸盐去除性能最高提升 117%。

更为重要的是：对于压电效应和微生物两者来说，一个是常见的物理现象，一个是地球上最古老的生命体。

课题组通过首次结合以上两者，通过压电电子学与电微生物学的多学科交叉，为微生物学和材料科学的交叉研究带来了全新突破。

来源：Nature Water

其应用前景主要有二：

首先，本次研究揭示了一种具备潜在重要性、但在之前未被重视的细胞压电敏化过程。

对于能量有限环境中的微生物生存、以及碳/氮/硫等元素地球化学循环，或能做出重要贡献。甚至它可能与生命起源和早期进化存在一定关联。

其次，细胞压电敏化过程有望为污染物降解和生物燃料生产等应用，提供一种简单、可持续的新方法，进而在固碳减排、减污降碳协同增效等领域发挥作用。

01.优化反硝化过程，助力提高国内废水处理能力

据介绍，水污染控制——是当前中国面临的最紧迫挑战之一。在应对环境污染的过程中，废水处理发挥着至关重要的作用。

尽管中国拥有全球最大的废水处理能力和市场，日处理能力将近2亿m³/d。

但是，与一个世纪之前就已广泛实施废水管理的工业化国家相比，中国在40年前几乎没有废水管理经验。

因此，发展新兴技术对于提高污水处理厂的污水处理能力和效率具有重要意义，同时也有助于“双碳”目标的实现。

生物反硝化，是一个依靠微生物将硝酸盐（NO3^–）和亚硝酸盐（NO2^–）转化成气态氮的过程，也是污水处理的关键步骤，对于水质改善至关重要。

在污水处理厂里，异养反硝化是最常用的方法。但是，有时污水里的有机碳，不足以支持完全的反硝化，这时就需要加入额外的有机碳，以便有效地去除营养物质。

这样一来，不仅会导致污水处理厂的运营成本增加 3.5–8.5%，也会导致温室气体排放的显著增加，大约为每人口当量年增加 50–125 公斤二氧化碳的排放。

相比之下，作为一种生态友好的生物方法，自养反硝化在近年来愈发受到关注。该方法通常利用氢气、硫还原化合物、铁矿物等无机还原化合物作为电子供体。

不过，这些无机电子供体也存在明显的缺点和限制，比如氢气的半饱和常数较低，硫还原化合物可能会导致中间代谢物的污染风险等。

尽管有研究表明，通过生物电化学过程、即通过生物电化学反硝化过程，能够改善自养反硝化的效果。

但是，由于反应器配置十分复杂、以及生物电极材料的高能耗合成步骤，限制了上述方法的大规模推广应用。

因此，如何优化污水处理厂的反硝化过程，改善污水处理厂的运行效率，一直领域内面临的难点。

来源：Nature Water

02.新冠疫情期间的例行晨跑，启发一篇顶刊论文

2021年，新冠疫情期间的居家跑步，为周顺桂开展本次研究带来了灵感。

他说：“有一天在跑步时我突然想到，既然跑步时每一次脚步的落地带来的振动，都会影响肌肉的收缩与舒展、心脏的跳动与呼吸。

那么，人与微生物的基本生命过程是相通的，外部振动（机械能）能否也对微生物、特别是对反硝化菌等氮循环微生物产生类似的‘心灵震撼’？”

这个突如其来、且有点异想天开的想法让周顺桂兴奋不已。他匆匆结束了当天的跑步，立马回家查阅资料。

另据悉，该团队长期从事微生物电化学、以及微生物胞外电子传递的相关研究。课题组在多年的研究中发现：在微生物的能量获取和能代谢中，电子扮演着关键角色。

也就是说，微生物需要通过一系列的氧化还原反应，即通过电子转移反应，来获取能量并维持生命活动。

因此，虽然机械能是自然界最常见的一种能量形式，但是它会对微生物代谢产生影响，因此也很可能需要以电子作为桥梁。

而要想证明机械能对于微生物代谢的影响，先要探究机械能能否影响电子的产生，于是周顺桂和团队开始关注机械诱导的压电效应。

所查阅到的资料，更是让他们备受鼓舞。原来早在1880年，法国科学家“居里兄弟”皮埃尔·居里（Pierre Curie）和雅克·居里（Paul-Jacques Curie），就首次在石英晶体中发现了“压电效应”，即石英在受到机械应力作用时会产生电荷。

而在1917年，法国科学家保罗·朗之万（Paul Langevin）还利用石英晶体的压电效应，发明了世界上第一台主动声呐（朗之万声呐），并基于“回声定位”成功实现了对于舰船的定位。

这意味着：这些电荷或许能够作为微生物胞外还原力，来驱动微生物的代谢。然而，从压电效应被发现至今，从未有人证实过这种可能。

“这让我们在兴奋的同时也感到有些许忐忑，毕竟已有的研究结果表明，机械能可能会导致细胞的物理破裂和溶解。因此，我们需要确凿的证据来证实这种新奇的方法。”周顺桂说。

经过大量的文献查阅，他们发现鸟粪石是一种优异的压电材料，而且在废水处理中十分常见。

那么，鸟粪石能否与反硝化菌等微生物结合，从而增强废水的反硝化性能？

毕竟能源消耗占据传统污水处理厂运行成本的25–40%，相当于每处理1立方米污水需消耗0.3–2.1千瓦时。

而这些能源消耗通常来自于电机设备的曝气或搅拌，因此往往并未得到充分的利用。

抱着试一试的态度，他们设计了压电催化生物反硝化的实验。利用废水中广泛存在的铵根、磷酸根、镁离子，在反硝化微生物的表面，原位合成了一层鸟粪石“铠甲”。

随后的实验证明：在黑暗和低频的机械搅拌过程中，这层“铠甲”可以源源不断地为微生物提供电子，进而驱动反硝化过程。

与此同时，相比传统的生物反硝化过程，这种方法有着显著区别。

它不像光催化等过程需要传统的牺牲化学试剂，而是利用水来作为“压电空穴试剂”。并且，所产生的鸟粪石沉淀可以作为磷肥和氮肥，实现减排增效的目标。

来源：Nature Water

事实上，研究伊始课题组曾采用振荡作为机械力来源，并反复地优化实验条件和参数，但是效果依然不尽人意，团队成员一度失去信心。

忽然有一天，他们看到实验台面的磁力搅拌器一下子就把药瓶溶解掉了，并产生了一个晶莹剔透的三角形旋涡。

这一发现让他们灵机一动：能否利用磁力搅拌器来产生更强的机械力？

事实证明，他们的猜测是正确的。振荡的机械力太弱，正是之前实验效果不佳的原因。而在使用磁力搅拌器之后，研究进展开始变得顺遂起来。

日前，相关论文以《机械能驱动的废水反硝化作用》（Wastewater denitrification driven by mechanical energy through cellular piezo-sensitization）为题发在Nature Water【1】。

Jie Ye和任国平是共同一作，周顺桂担任通讯作者。

来源：Nature Water

在周顺桂眼中，本次工作只是一个敲门砖。未来，他们将开展机械生物反硝化的中试研究和实际应用，希望能将这项技术投放市场，为废水处理工艺提供新的策略。

此外，压电材料与微生物之间的相互结合过程和电子传递途径，仍然是当前研究中的难点。因此，他们计划深入探究这一“奥妙”。

同时，还将继续开展其他机械压电生物催化过程的研究，以丰富和扩展该领域的知识和应用。

来源：DeepTech深科技  

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