农业废弃物衍生生物碳/MoS2阳极增强微生物-电极互作以降低工业废水中溶解性有机物毒性

为解决工业废水中溶解性有机物（DOM）的高毒性难题，南京大学研究人员开发了基于农业废弃物的生物碳/MoS2（Bio-C/MoS2）阳极系统。该技术通过0.4 V电位驱动微生物电化学作用，使DOM毒性降低63.1%，斑马鱼幼体畸形率降至5.6%。FT-ICR MS揭示高双键当量（DBE）化合物是毒性主因，而阳极修饰重构了微生物群落对高DBE-DOM的降解能力。生命周期评估证实该方案兼具经济性与环境友好性，为工业废水净化提供新策略。

　　

工业废水中的溶解性有机物（DOM）如同潜伏的生态杀手，其复杂的芳香族化合物不仅让传统污水处理工艺束手无策，更会通过食物链富集威胁整个水生生态系统。更令人担忧的是，现行污水处理标准仅关注化学需氧量（COD）等常规指标，却对DOM中隐藏的"分子级毒性"视而不见。当含有高毒性DOM的废水排入环境，可能引发水生生物畸形、种群衰退等连锁反应——斑马鱼幼体出现的脊柱弯曲等畸形现象，正是这种毒性最直观的警示信号。

面对这一环境治理难题，南京大学污染控制与资源化研究国家重点实验室的研究团队独辟蹊径，将目光投向农业废弃物与新型电极材料的跨界组合。他们创新性地利用椰枣壳等农业残余物制备多孔生物碳，并通过水热法在其表面生长具有优异氧化还原特性的二硫化钼（MoS₂）纳米片，构建出兼具高比表面积（217.5 m² g^-1）和超高理论电容（1403 F g^-1）的Bio-C/MoS₂复合阳极。这项突破性成果发表在环境领域顶级期刊《Journal of Hazardous Materials》上，为工业废水深度净化提供了全新解决方案。

研究团队采用多学科交叉的研究方法：通过斑马鱼胚胎生物检测量化DOM毒性变化；运用超高分辨傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）解析DOM分子特征；结合16S rRNA测序揭示微生物群落演变；并采用电化学阻抗谱（EIS）评估电极性能。所有实验均以实际工业废水为研究对象，确保数据真实可靠。

【物理表征与电化学性能】
扫描电镜显示Bio-C/MoS₂阳极呈现独特的"纳米花"形貌，比未修饰石墨电极的表面积增加12倍。这种三维多孔结构为微生物附着搭建了"立体停车场"，其电荷转移电阻（R_ct）降低至3.2 Ω，远低于传统石墨电极的98.4 Ω，证实其显著促进胞外电子传递（EET）的能力。

【DOM毒性去除效能】
在0.4 V外加电位下，Bio-C/MoS₂系统仅需24小时就将DOM毒性降低63.1%，出水毒性指标（以斑马鱼畸形率计）从15.2%骤降至5.6%。对比实验显示，相同条件下传统活性污泥法仅能去除28.3%毒性，凸显生物电化学系统的优势。

【毒性分子溯源】
通过FT-ICR MS从数千种DOM分子中锁定"罪魁祸首"——双键当量（DBE）≥9的稠环芳烃类化合物，其相对丰度与毒性呈现显著正相关（R²=0.87）。这些分子如同微观世界的"刺猬"，其刚性芳香结构难以被普通微生物降解。

【微生物机制解析】
阳极修饰显著富集了Geobacter（增加8.7倍）和Pseudomonas（增加5.2倍）等电活性菌属。这些"电力工程师"通过直接种间电子传递（DIET）途径，将高DBE化合物的降解效率提升3.4倍，如同给微生物装配了"分子破碎机"。

这项研究不仅实现了"农业废弃物→高性能电极→毒性削减"的闭环设计，更开创性地建立了"电极材料-微生物群落-DOM分子"的互作调控理论。生命周期评估显示，该方案较传统铂修饰电极降低生产成本68%，减少致癌毒性潜在影响17倍。正如通讯作者Haidong Hu教授强调的："我们首次证实通过调控电极界面特性可以重构微生物的代谢网络，这为复杂污染物治理提供了全新的‘硬件+软件’协同思路。"该技术目前已在中国某工业园区开展中试，其成功应用将助力实现废水处理从"达标排放"到"生态安全"的质的飞跃。