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不及以援手通盘的反硝化 IOS

         发布日期:2024-07-04 02:34    点击次数:170

“总的来说,不同于传统的光能代谢和化学能代谢 IOS,咱们揭示了一种全新的微生物代谢边幅,敷陈了废水处理中尚未发现的新式能量-微生物-元素转动的互作联系,为废水反硝化提供了新的决策范式和技能政策。”福建农林大学副校长周顺桂造就示意。

图 | 周顺桂(来源:周顺桂)

近日,他和团队建议一种机械能驱动生物脱氮的措施,这是一种通过细胞压电敏化的新式生物脱氮措施,和异养、自养、生物电化学脱氮等传统措施有着骨子离别。

通过连络压电电子学与电微生物学,该课题组阐发由机械能驱动压电材料所产生的电化学能,不错当作微生物滋长代谢的能量来源。

决策中,该团队使用脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans),来当作步地硝酸盐归附菌株。

以废水中常见的鸟粪石(磷酸镁铵)当作压电材料,达成了高效的废水生物反硝化。在 5 个周期的实验中,硝酸盐去除率均接近 100%。

机理分析标明:在机械应力的作用之下,鸟粪石会发生极化,最大电位值约为 1.0V,高于 T. denitrificans 膜连络活性位点的氧化归附电位,故能促进电子从鸟粪石、传递到外膜受体位点,进而驱动硝酸盐的归附。

转录组学分析驱散标明:在机械搅动之下,那些在电子传递经过中起要道作用的周质细胞色素 c4、以及氢化酶,它们的基因抒发出现显耀上调。

进一步的决策知晓:在执行废水处理中,压电反硝化效应能将硝酸盐去除性能最高擢升 117%。

更为要紧的是:关于压电效应和微生物两者来说,一个是常见的物理局面,一个是地球上最陈腐的生命体。

课题组通过初次连络以上两者,通过压电电子学与电微生物学的多学科交叉,为微生物学和材料科学的交叉决策带来了全新碎裂。

(来源:Nature Water)

其应用远景主要有二:

当先,本次决策揭示了一种具备潜在要紧性、但在之前未被疼爱的细胞压电敏化经过。

关于能量有限环境中的微生物生涯、以及碳/氮/硫等元素地球化学轮回,或能作念出要紧孝顺。以致它可能与生命发源和早期进化存在一定关联。

其次,细胞压电敏化经过有望为混浊物降解和生物燃料出产等应用,提供一种肤浅、可捏续的新措施,进而在固碳减排、减污降碳协同增效等范围发扬作用。

优化反硝化经过,助力提高国内废水处贤达商

据先容,水混浊适度——是面前中国濒临的最要紧挑战之一。在大意环境混浊的经过中,废水处剃头扬着至关要紧的作用。

尽管中国领有各人最大的废水处贤达商和市集,日处贤达商快要 2 亿 m3/d。

但是,与一个世纪之前就已凡俗实施废水料理的工业化国度比较,中国在 40 年前果然莫得废水料理造就。

因此,发展新兴技能关于提高浑水处理厂的浑水处贤达商和效能具有要紧道理,同期也有助于“双碳”概念的达成。

生物反硝化,是一个依靠微生物将硝酸盐(NO3–)和亚硝酸盐(NO2–)转动成气态氮的经过,亦然浑水处理的要道圭表,关于水质改善至关要紧。

在浑水处理厂里,异养反硝化是最常用的措施。但是,随机浑水里的有机碳,不及以援手通盘的反硝化,这时就需要加入零散的有机碳,以便有用地去除养分物资。

这么一来,不仅会导致浑水处理厂的运营资本增多 3.5–8.5%,也会导致温室气体排放的显耀增多,大致为每东谈主口当量年增多 50–125 公斤二氧化碳的排放。

比较之下,当作一种生态友好的生物措施,自养反硝化在连年来愈发受到暖热。该措施经常愚弄氢气、硫归附化合物、铁矿物等无机归附化合物当作电子供体。

不外,这些无机电子供体也存在昭彰的缺点和截至,比如氢气的半足够常数较低,硫归附化合物可能会导致中间代谢物的混浊风险等。

尽管有决策标明,通过生物电化学经过、即通过生物电化学反硝化经过,能够改善自养反硝化的恶果。

但是,由于反映器成就十分复杂、以及生物电极材料的高能耗合成圭表,截至了上述措施的大范围延伸应用。

因此,怎么优化浑水处理厂的反硝化经过,改善浑水处理厂的运行效能,一直范围内濒临的难点。

(来源:Nature Water)

新冠疫情时刻的例行晨跑,启发一篇顶刊论文

2021 年,新冠疫情时刻的居家跑步,为周顺桂开展本次决策带来了灵感。

他说:“有一天在跑步时我一霎念念到,既然跑步时每一次脚步的落地带来的振动,王人会影响肌肉的消弱与舒展、腹黑的跨越与呼吸。

那么,东谈主与微生物的基本生命经过是重迭的,外部振动(机械能)能否也对微生物、绝顶是对反硝化菌等氮轮回微生物产生同样的‘心灵泛动’?”

这个出其不意、且有点奇念念天开的念念法让周顺桂兴隆不已。他急遽驱散了本日的跑步,立马回家查阅良友。

另据悉,该团队弥远从事微生物电化学、以及微生物胞外电子传递的商酌决策。课题组在多年的决策中发现:在微生物的能量取得和能代谢中,电子饰演着要道变装。

也即是说,微生物需要通过一系列的氧化归附反映,即通过电子迂回反映,来取得能量并督察生命步履。

因此,天然机械能是天然界最常见的一种能量体式,但是它会对微生物代谢产生影响,因此也很可能需要以电子当作桥梁。

而要念念诠释注解机械能关于微生物代谢的影响,先要探究机械能能否影响电子的产生,于是周顺桂和团队开动暖热机械指导的压电效应。

所查阅到的良友,更是让他们备受饱读动。原本早在 1880 年,法国科学家“居里兄弟”皮埃尔·居里(Pierre Curie)和雅克·居里(Paul-Jacques Curie),就初次在石英晶体中发现了“压电效应”,即石英在受到机械应力作用时会产生电荷。

而在 1917 年,法国科学家保罗·朗之万(Paul Langevin)还愚弄石英晶体的压电效应,发明了寰球上第一台主动声呐(朗之万声呐),并基于“回声定位”得胜达成了关于舰船的定位。

这意味着:这些电荷大致能够当作微生物胞外归附力,来驱动微生物的代谢。但是,从压电效应被发现于今,从未有东谈主阐发过这种可能。

“这让咱们在兴隆的同期也感到有多少发怵,毕竟已有的决策驱散标明,机械能可能会导致细胞的物理翻脸和融化。因此,咱们需要可信的字据来阐发这种新奇的措施。”周顺桂说。

经过多半的文件查阅,他们发现鸟粪石是一种优异的压电材料,而且在废水处理中十分常见。

那么,鸟粪石能否与反硝化菌等微生物连络,从而增强废水的反硝化性能?

毕竟动力耗尽占据传统浑水处理厂运行资本的 25–40%,格外于每处理 1 立方米浑水需耗尽 0.3–2.1 千瓦时。

而这些动力耗尽经常来自于电机蛊惑的曝气或搅动,因此常常并未得到充分的愚弄。

抱着试一试的气派,他们策画了压电催化生物反硝化的实验。愚弄废水中凡俗存在的铵根、磷酸根、镁离子,在反硝化微生物的名义,原位合成了一层鸟粪石“铠甲”。

随后的实考据明:在黯澹和低频的机械搅动经过中,这层“铠甲”不错连气儿束缚地为微生物提供电子,进而驱动反硝化经过。

与此同期,比较传统的生物反硝化经过,这种措施有着显耀离别。

它不像光催化等经过需要传统的糟跶化学试剂,而是愚弄水来当作“压电空穴试剂”。而况,所产生的鸟粪石千里淀不错当作磷肥和氮肥,达成减排增效的概念。

(来源:Nature Water)

事实上,决策开头课题组曾禁受飘舞当作机械力来源,并反复地优化实验条目和参数,但是恶果仍是不尽东谈主意,团队成员一度失去信心。

忽然有一天,他们看到实验台面的磁力搅动器一下子就把药瓶融化掉了,并产生了一个晶莹彻亮的三角形漩涡。

这一发现让他们灵机一动:能否愚弄磁力搅动器来产生更强的机械力?

事实诠释注解,他们的揣测是正确的。飘舞的机械力太弱,恰是之前实验恶果欠安的原因。而在使用磁力搅动器之后,决策进伸开动变得随手起来。

日前,商酌论文以《机械能驱动的废水反硝化作用》(Wastewater denitrification driven by mechanical energy through cellular piezo-sensitization)为题发在 Nature Water[1]。

Jie Ye 和任国平是共团结作,周顺桂担任通信作家。

图 | 商酌论文(来源:Nature Water)

在周顺桂眼中,本次使命仅仅一个垫脚石。已往,他们将开展机械生物反硝化的中试决策和执行应用,但愿能将这项技能投放市集,为废水处理工艺提供新的政策。

此外,压电材料与微生物之间的互相连络经过和电子传递路子,仍然是面前决策中的难点。因此,他们算计深远探究这一“玄妙”。

同期,还将不绝开展其他机械压电生物催化经过的决策,以丰富和扩展该范围的学问和应用。

参考良友:

1.Ye, J., Ren, G., Liu, L.et al. Wastewater denitrification driven by mechanical energy through cellular piezo-sensitization. Nat Water 2, 531–540 (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00253-2

运营/排版:何晨龙

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