山东大学倪寿清团队Trends in Biotechnology综述丨光催化材料-微生物杂合系统在水净化中的应用

生命科学

Life science

新兴的光催化材料-微生物混合体系（PMH）能够将光催化材料的光捕获能力与微生物细胞的特定酶活相结合，实现太阳能到化学能的有效转化，在光合产能领域得到极大地关注。此外，PMH体系兼具光催化与微生物技术双重优势的特性使其在水污染治理方面也展现出巨大的潜力。山东大学倪寿清教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Biotechnology发表综述“Photocatalytic material-microorganism hybrid systems in water decontamination”。该文总结和阐述了PMH体系在水污染治理方面的最新应用进展、关键影响因素及协同作用机制，讨论了该体系在实际应用中所面临的挑战及未来发展方向。第一作者为明婕博士。

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1. 水体净化的生物过程

水体污染是目前待解决的全球性问题之一。由于成本低、环境友好且操作简单，生物处理过程是最常用的污水处理技术。然而，缺乏可生物利用碳源，存在难生物降解或生物毒性污染物会抑制其代谢活性，从而导致处理效果不佳。提高生物处理效率、实现有效的污染物去除已成为一个紧迫的问题。

最近，新发展起来的PMH体系兼具光催化与微生物的双重优势，可有效去除水体污染物，为提高生物处理效率、加强水体修复提供了一种新方法。一方面，光催化产生的活性物质具有较强的氧化还原能力，能够将难降解污染物转化为可生物降解物质，有助于微生物的进一步降解矿化；另一方面，光催化产生的电子能被微生物用于自身生长代谢，提高微生物活性。二者相互协作从而实现水体污染物的有效去除（图1）。

▲图1：PMH体系在水体净化中的应用、关键因素及协同作用机理示意图

2. PMH体系在水体净化中的应用

PMH体系在水体净化中的应用可根据污染物类型分为以下两种：

（1） 有机污染物

光催化产生的活性物质无选择性且反应迅速，可将难生物降解有机污染物分解为可生物降解物质，随后被微生物进一步矿化降解，从而避免有机副产物的积累。此外，在电活性微生物存在的体系中，微生物电子可作为空穴捕获剂使体系中有更多的光电子用于污染物的还原降解。

（2） 无机污染物

在生物脱氮过程中，光电子可通过膜电子受体（如c型细胞色素；c-Cyts）和细胞内一系列电子传递链传递给氮代谢关键酶（如：Nar、Nir）参与反应。研究发现，光生电子既可以直接还原Cr6+，也可以通过c-Cyts和胞外聚合物（EPS）的介导进行Cr6+还原。

3. 关键影响因子

PMH体系中，光催化能提高微生物活性，有助于污染物的去除，同时它也会引发光催化杀菌的问题，这受其组成和操作条件等影响。

（1） 光催化材料

光催化材料控制太阳能-化学能的转化，其性质和投加量对PMH具有重要的影响。理想的材料应具有良好的生物相容性、低细胞毒性和高能量转换能力。目前常用的光催化材料包括金属硫化物、金属氧化物、碳氮化合物等。这些材料大多由化学合成，其中一些如CdS可通过生物合成获得。此外，一些不含金属的半导体（如：g-C3N4）及天然光活性材料（如：矿物、溶解性有机物）也表现出较大的应用潜力。

（2） 微生物

由于大多数光催化材料的导带电位比生物化合物（如：c-Cyts）的更负，因此激发态的光电子能够传递给微生物以支持其生长、代谢。目前，参与PMH体系构成的微生物可分为单一微生物（细菌、真菌和微藻）和微生物群落。与单一微生物相比，微生物群落在PMH构建和污染物降解方面表现出更大的灵活性、协同性和有效性。

（3） 光和化学添加剂

由于电子从价带跃迁至导带所需的能级差异，半导体只能将有限的光能转化为化学能。高强度的光照能提供更多的能量加速电荷生成，但会导致光热灭菌或增强电荷复合。此外，光会影响微生物的生长和代谢。优化光照强度以及开发对微生物有益响应光的光敏剂，有助于PMH的应用。

电子穿梭体和空穴捕获剂等化学添加剂对PMH体系也具有较大的影响。电子穿梭体能够介导微生物与基质之间的电子转移而协助微生物能量代谢。空穴捕获剂能消耗光生空穴，减少空穴对微生物的氧化损伤并维持体系的连续运行。它们虽然可以由生物电子、微生物代谢物和一些氨基酸类物质（如：半胱氨酸）充当，但因其含量有限，大多数 PMH 体系仍需要外加空穴捕获剂，如：乳酸、抗坏血酸等。

4. PMH体系的协同机理

光催化与微生物之间的协同作用是 PMH 体系实现水体净化的关键。探究电荷转移和微生物响应对于理解 PMH 体系的协同机制至关重要。

（1） 电荷转移

有氧条件下，光生电子和空穴倾向于发生一系列氧化还原反应，生成ROS，通过与微生物的协同作用实现难降解有机物的去除。厌氧条件下，光催化与微生物之间的电荷转移主要存在三种路径（图 2）。路径 I：光生空穴被生物电子清除，光电子主导污染物去除过程。路径 II：光电子被微生物利用以驱动各种酶反应（如：反硝化、厌氧氨氧化），空穴则被捕获剂（如：乳酸、亚硫酸钠）消除。路径 III：光电子被微生物捕获用于污染物还原（如：Cr6+和甲基橙），而空穴被捕获剂或污染物中和；同时，光电子也可直接参与污染物还原，但通常贡献较小。

▲图2：水体净化PMH体系中的电荷转移及其应用实例

（2） 微生物响应

PMH体系中，微生物电子传递能力、NAD+/NADH循环及关键酶活（如：Nar、Nir）等被显著增强。但是，微生物也受到光催化和难降解污染物的毒性影响。除了外加捕获剂、细胞包覆等人为保护方法，微生物自身也会采取一些保护措施如：分泌抗氧化酶、激活应激反应蛋白、分泌EPS等。然而，微生物的自我保护能力有限，外加EPS组分或类似物是微生物保护的一种相对有前景的方法。

5. 结论和展望

PMH体系兼具光催化和微生物技术的双重优势，在水体净化方面具有广阔的应用前景，为自然水体原位修复、改善污水处理厂生物过程等提供了一种有效的方法（图 3）。

虽然PMH体系在水体净化领域取得了显著的进展，但距其实际应用仍有很长的一段距离。加强体系的可持续性、稳定性和有效性是目前待解决的主要问题。未来的研究应注重以下几个方面：1）进行多种污染物或实际废水的长期实验研究；2）进一步开发高效、稳定、经济、低生物毒性的光催化材料；3）寻找更有效的微生物保护措施；4）提高体系太阳能转化能力；5）加强体系长期运行过程中的经济及环境影响评价。

▲图3：PMH体系在水体净化实际应用中的展望

本文参考文献（上下划动查看）

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论文作者介绍

倪寿清

教授

通讯作者：倪寿清，山东大学教授，博士生导师，神农青年英才、山东省泰山学者（青年）、山东省杰青基金获得者、山东省智库高端人才，致力于应用环境微生物技术研究，多项技术成果转化并在多座大型污水处理厂应用。在ES&T、Water Research、ACS ES&T Water、ACS ES&T Engineering、Trends in Biotechnology等期刊发表SCI论文130余篇，主持973子课题、国家重点研发计划任务、国家自然科学基金、山东省重大科技创新工程、山东省杰青等项目，曾获得省部级奖励多项。

相关论文信息

相关研究发表在Cell Press细胞出版社

旗下期刊Trends in Biotechnology,

▌论文标题：

Photocatalytic material–microorganism hybrid systems in water decontamination

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779924003251

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.11.012