研究背景
反硝化是廢水處理中關鍵的環節，旨在將硝酸鹽（NO3?）或亞硝酸鹽（NO2?）轉化為氮氣。然而，傳統的異養性脫硝過程需要外部有機底物作為電子供體，增加了運營成本和溫室氣體排放。因此，自養性脫硝成為研究的熱點，其利用無機還原化合物作為電子供體。然而，這些方法仍存在諸如電極材料昂貴、反應器配置復雜等問題，限制了其實際應用。
為了克服這些挑戰，福建農林大學、國家杰出青年科學基金獲得者(2019),國家萬人計劃創新領軍人才(2018)周順桂教授提出了一種創新的機械驅動生物脫硝方法。該方法利用壓電材料產生的電子能量支持反硝化微生物的代謝，通過機械能直接驅動微生物新陳代謝，從而降低了對外部有機底物的依賴。相關成果在“Nature Water”期刊上發表了題為“Wastewater denitrification driven by mechanical energy through cellular piezo-sensitization”的最新論文。實驗結果表明，這種機械驅動的自持生物脫硝過程在實際污水處理中取得了成功，顯著提高了硝酸鹽的去除效率。
科學亮點
(1) 實驗首次探索了利用機械能直接驅動微生物新陳代謝的方法，通過壓電材料產生的電子能量支持反硝化微生物的新陳代謝。此前很少有人考慮將機械能用于操縱微生物新陳代謝，因為傳統觀點認為機械能可能導致細胞破裂。但通過壓電轉換，機械能能夠產生自由電荷，進而驅動微生物的新陳代謝。本研究利用了這一機制，首次實現了機械驅動的生物脫氮。(2) 實驗結果顯示，在機械攪拌下，自養性反硝化細菌Thiobacillus denitrificans與原位形成的磷酸鎂共同作用，成功實現了近乎100%的硝酸鹽還原，且以H2O作為電子供體。通過將壓電材料在機械攪拌下應變，產生自由電荷，并借助細胞表面的活性酶和蛋白質，將這些電子傳遞給細胞內的NO3?還原途徑，實現了機械驅動的脫氮。進一步的實驗表明，這種機械驅動的生物脫氮方法可以成功應用于實際污水處理中，使硝酸鹽去除量最多增加了117%。
圖文解讀
圖2. denitrificans-磷酸鎂生物復合體的設計和表征。圖3. denitrificans-磷酸鎂驅動的機械攪拌下的脫氮性能。圖4：denitrificans-磷酸鎂在機械攪拌下驅動的脫氮過程機制。
科學啟迪
本研究通過機械能直接驅動微生物新陳代謝的創新方法，提出了一種全新的自持式廢水脫氮過程。通過利用壓電材料產生的電子能量支持反硝化微生物的代謝活動，我們成功實現了在廢水處理中近乎100%的硝酸鹽還原。這一研究不僅挑戰了傳統認知中對反硝化細菌電子供體的理解，而且在污水處理領域開辟了新的可能性。與傳統的脫氮方法相比，這種機械驅動的生物脫氮過程具有可持續性和環保性的優勢，同時也具有與其他微生物過程耦合的潛力。此外，我們的研究還揭示了壓電材料與電活性微生物之間的緊密聯系，為未來開發更有效的自持式廢水處理策略提供了科學依據。 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
