研究背景
反硝化是废水处理中关键的环节，旨在将硝酸盐（NO3−）或亚硝酸盐（NO2−）转化为氮气。然而，传统的异养性脱硝过程需要外部有机底物作为电子供体，增加了运营成本和温室气体排放。因此，自养性脱硝成为研究的热点，其利用无机还原化合物作为电子供体。然而，这些方法仍存在诸如电极材料昂贵、反应器配置复杂等问题，限制了其实际应用。
为了克服这些挑战，福建农林大学、国家杰出青年科学基金获得者(2019),国家万人计划创新领军人才(2018)周顺桂教授提出了一种创新的机械驱动生物脱硝方法。该方法利用压电材料产生的电子能量支持反硝化微生物的代谢，通过机械能直接驱动微生物新陈代谢，从而降低了对外部有机底物的依赖。相关成果在“Nature Water”期刊上发表了题为“Wastewater denitrification driven by mechanical energy through cellular piezo-sensitization”的最新论文。实验结果表明，这种机械驱动的自持生物脱硝过程在实际污水处理中取得了成功，显著提高了硝酸盐的去除效率。
科学亮点
(1) 实验首次探索了利用机械能直接驱动微生物新陈代谢的方法，通过压电材料产生的电子能量支持反硝化微生物的新陈代谢。此前很少有人考虑将机械能用于操纵微生物新陈代谢，因为传统观点认为机械能可能导致细胞破裂。但通过压电转换，机械能能够产生自由电荷，进而驱动微生物的新陈代谢。本研究利用了这一机制，首次实现了机械驱动的生物脱氮。(2) 实验结果显示，在机械搅拌下，自养性反硝化细菌Thiobacillus denitrificans与原位形成的磷酸镁共同作用，成功实现了近乎100%的硝酸盐还原，且以H2O作为电子供体。通过将压电材料在机械搅拌下应变，产生自由电荷，并借助细胞表面的活性酶和蛋白质，将这些电子传递给细胞内的NO3−还原途径，实现了机械驱动的脱氮。进一步的实验表明，这种机械驱动的生物脱氮方法可以成功应用于实际污水处理中，使硝酸盐去除量最多增加了117%。
图文解读
图2. denitrificans-磷酸镁生物复合体的设计和表征。图3. denitrificans-磷酸镁驱动的机械搅拌下的脱氮性能。图4：denitrificans-磷酸镁在机械搅拌下驱动的脱氮过程机制。
科学启迪
本研究通过机械能直接驱动微生物新陈代谢的创新方法，提出了一种全新的自持式废水脱氮过程。通过利用压电材料产生的电子能量支持反硝化微生物的代谢活动，我们成功实现了在废水处理中近乎100%的硝酸盐还原。这一研究不仅挑战了传统认知中对反硝化细菌电子供体的理解，而且在污水处理领域开辟了新的可能性。与传统的脱氮方法相比，这种机械驱动的生物脱氮过程具有可持续性和环保性的优势，同时也具有与其他微生物过程耦合的潜力。此外，我们的研究还揭示了压电材料与电活性微生物之间的紧密联系，为未来开发更有效的自持式废水处理策略提供了科学依据。 Ye, J., Ren, G., Liu, L. et al. Wastewater denitrification driven by mechanical energy through cellular piezo-sensitization. Nat Water (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00253-2
