颗粒活性炭驱动微生物电子穿梭强化低温低碳生物膜系统反硝化并减少N2O排放

本研究针对低温（4-6°C）和低碳（C/N=4）条件下生物膜系统反硝化效率低、N2O排放高的难题，通过引入颗粒活性炭（GAC）作为电子介体，成功构建了电活性微生物（EAMs）与反硝化菌的协同共生体系。研究发现GAC使反硝化效率提升19.4-21.9%，N2O排放降低10.6-22.9%，并通过宏转录组和显微成像揭示了纳米线介导的直接种间电子传递（DIET）机制。该成果为污水处理厂在极端条件下实现高效脱氮和温室气体减排提供了创新解决方案，发表于《Microbiome》。

　　

在全球氮污染治理的紧迫背景下，污水处理厂正面临低温低碳（"双低"）条件下反硝化效率骤降的行业难题。传统生物膜技术虽具节能优势，但在4-6°C低温与C/N=4的低碳环境中，微生物代谢活性受抑，电子传递链受阻，不仅导致硝酸盐去除率下降，还会产生强温室气体N₂O（其增温潜势是CO₂的265倍）。更棘手的是，低温会抑制电活性微生物（Electroactive Microorganisms, EAMs）与反硝化菌的种间电子传递（Interspecies Electron Transfer, IET），使得本已有限的碳源无法被高效利用。

针对这一挑战，中国科学院生态环境研究中心的研究团队创新性地将颗粒活性炭（Granular Activated Carbon, GAC）引入生物膜系统。这种多孔导电材料犹如"电子高速公路"，通过促进Geobacter等EAMs与Pseudomonas等反硝化菌的物理连接，成功激活了低温环境下的微生物代谢网络。相关成果以封面论文形式发表于环境微生物学顶级期刊《Microbiome》。

研究采用多组学联用技术：通过16S rRNA测序解析微生物群落结构，结合宏转录组（metatranscriptomes）分析关键基因表达；利用荧光原位杂交（FISH）和扫描电镜（SEM）可视化微生物空间分布；辅以ATP检测和电子传递效率（ETE）量化微生物活性。所有实验均设置温度（4-6°C vs 25°C）和碳氮比（C/N=4 vs 8）双因素对照组，采用三重生物学重复。

微生物群落与空间结构重塑

SEM-FISH联用技术首次捕捉到GAC表面形成的"电活性微生物-反硝化菌"共聚体（图1d），Geobacter sulfurreducens通过纳米丝（nanowires）将电子直接传递给Pseudomonas fluorescens。这种独特的空间构象使DIET效率提升55.4%，而β-多糖为主的胞外聚合物（EPS）基质则强化了生物膜结构稳定性（图S2）。

功能基因动态调控

宏转录组显示GAC显著上调了反硝化终末酶基因nosZ（2.1倍）和电子传递关键基因omcB（1.8倍）（图4）。值得注意的是，具有双功能特征的菌株如Acidiphilium cryptum同时高表达硝酸盐还原酶和细胞色素c基因，证实了碳氮代谢的协同优化。

脱氮与温室气体协同控制

在C/N=4的严格条件下，GAC系统NO₃^--N去除率达82.8%，较对照组提升21.9%，且N₂O排放量降低22.9%（图5-6）。这种"增效减排"效应源于电子传递通路的优化——通过GAC介导的"Omc"和"Mtr"双途径（图4b），减少了反硝化中间产物NO₂^-的积累，从而阻断N₂O主要生成路径。

该研究开创性地证实：GAC可通过物理-生物耦合机制重构生物膜微环境。一方面作为导电支架促进DIET，另一方面作为生态位选择压力富集功能菌群（虽然α多样性降低15.2%，但关键菌相对丰度提升350倍）。这种"少而精"的群落结构在低温下表现出更强的功能冗余性，为实际污水处理厂应对气候变化提供了可扩展的解决方案。从联合国可持续发展目标（SDGs）视角看，该技术同时贡献于清洁水（SDG6）和气候行动（SDG13），每万吨污水处理可减少8.5-15.2%的碳当量排放。未来研究可探索GAC-生物膜系统与厌氧氨氧化（anammox）工艺的联用，进一步突破低碳脱氮的技术极限。