深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院毛艷萍課題組在期刊《Environmental Science and Ecotechnology》（影響因子12.6，中科院JCR 1 區(qū)）上發(fā)表了題為《Enhanced nitrate reduction in hypotrophic waters with integrated photocatalysis and biodegradation》的論文。深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院碩士研究生薛冰潔和田里為論文共同第一作者，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院為第一署名單位。
目前，氮污染對水環(huán)境和人體健康造成了極大威脅，城鎮(zhèn)污水處理廠常利用反硝化菌進行硝酸鹽的還原，以達到脫氮的目的。反硝化菌多為異養(yǎng)微生物，對有機碳需求量大，而反硝化過程常發(fā)生在污水處理的后段，有機碳源不足在一定程度上抑制了硝酸鹽的去除。尤其在當(dāng)前污水處理廠提標(biāo)擴能的大背景下，要求進一步提高污水脫氮效率，亟待開發(fā)新的污水處理工藝，以提升脫氮效果。
光催化與生物降解緊密耦合技術(shù)（Intimatelycoupling of photocatalysis and biodegradation, ICPB）結(jié)合了光催化反應(yīng)和微生物處理的優(yōu)點，是一種新型的去除生物難降解污染物的技術(shù)，研究表明ICPB對硝酸鹽具有較好的還原效果。然而，ICPB在低碳條件下還原硝酸鹽的效果尚不明確，其微生物代謝機制及菌群結(jié)構(gòu)功能變化需進一步研究。因此，本研究制備了促進硝酸鹽光催化反應(yīng)的催化劑，馴化了穩(wěn)定高效的生物膜構(gòu)建ICPB體系。利用物化表征測試手段和分子生物學(xué)方法探究不同影響因子對ICPB去除硝酸鹽的效果，揭示低碳條件下系統(tǒng)中光催化與微生物降解的協(xié)同作用機理，闡明微生物的菌群結(jié)構(gòu)和功能變化規(guī)律，為低碳水體中硝酸鹽的還原提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。
圖1 ICPB載體和反應(yīng)器示意圖
本研究共制備了12種光催化劑，其中以硫脲作為前驅(qū)體制備的g-C3N4，與TiO2以1:2比例復(fù)合制備的TiO2/g-C3N4具有最好的硝酸鹽還原效率。形貌表征結(jié)果證實了g-C3N4與TiO2的有效結(jié)合，且該催化劑具有最低的光生載流子復(fù)合速率和最窄的禁帶寬度，為其優(yōu)異的光催化性能提供了保障。使用該催化劑搭建ICPB反應(yīng)器用于還原硝酸鹽，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)生物降解相比，ICPB可以將硝酸鹽還原效率提高17%，氮轉(zhuǎn)化效率提高11%。在低有機碳條件下，ICPB利用比生物降解少12.2%的有機碳，能將硝酸鹽還原率提高26.3%。此外，ICPB還能有效提高氮氣生成效率，抑制不良中間產(chǎn)物的積累。
圖2 十二種光催化劑的硝酸鹽還原曲線
（T：硫脲；M：三聚氰胺；D：二氰二胺；U：尿素；比例為TiO2: g-C3N4）
圖3 ICPB和生物降解（B）過程中NO3?, NO2?(a, b), NH4+(c, d) 和 TOC (e, f)的濃度變化
通過對細菌群落的多樣性分析發(fā)現(xiàn)，在ICPB反應(yīng)后微生物群落的豐富度和均勻度下降，功能性細菌可能被富集。通過微生物群落分析發(fā)現(xiàn)，隨著ICPB循環(huán)次數(shù)的增加，在氮循環(huán)中起重要作用的菌屬逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。此外，系統(tǒng)中的厭氧代謝逐漸取代了好氧代謝。系統(tǒng)的微生物群落朝有利于硝酸鹽還原的方向演變。
圖4 ICPB反應(yīng)前后相對豐度大于1%的優(yōu)勢菌屬
為進一步探索微生物群落中氮代謝功能的變化，本研究分析了與氮循環(huán)相關(guān)的代謝通路與功能基因，發(fā)現(xiàn)ICPB反應(yīng)后與氮循環(huán)相關(guān)的代謝通路和功能基因豐度均顯著增加（圖5）。此外，本研究還推斷了ICPB系統(tǒng)中可能存在的硝酸鹽代謝途徑（圖6）。通過對反硝化代謝相關(guān)基因的定量分析，ICPB系統(tǒng)在基因水平上對氮的去除潛力得到了證明，這有利于進一步研究ICPB的反硝化機制。
圖5 ICPB反應(yīng)前后與氮循環(huán)相關(guān)的代謝通路和功能基因變化
圖6 ICPB體系氮代謝通路模型
本研究得到了廣東省自然科學(xué)基金、深圳市自然科學(xué)基金（高等院校穩(wěn)定支持計劃）的支持。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666498424000048
