福建农林大学周顺桂、叶捷教授团队综述/微生物光电化学强化新污染物治理

文摘   2024-11-10 08:00   陕西  

原文信息:

HU Jing, CHEN Man, GU WenZhi, DENG WenEr, HONG MingQiu, HU AnDong, YE Jie* & ZHOU ShunGui. Biophotoelectrochemistry for the treatment of emerging contaminants. Sci China Tech Sci, 2024, 67: 3051–3066, https://doi.org/10.1007/s11431-024-2691-1








内容介绍




















由于各种工业实践和人类活动,新污染物(Emerging contaminants,ECs)广泛分布于环境中,引起了人们的极大关注。即使在微量浓度下,ECs也会对人类健康和水生生物构成显著的生态威胁与潜在风险。因此,必须开发新型技术以有效应对这些挑战。微生物光电化学(Biophotoelectrochemistry,BPEC)系统将微生物细胞与光敏剂相结合,实现从太阳能到化学能的转换,是一种极具潜力的高效去除ECs的方法。福建农林大学周顺桂、叶捷教授团队近期在Science China Technological Sciences发表了题为“Biophotoelectrochemistry for the treatment of emergingcontaminants” 的综述文章,系统总结了ECs的分类、来源和环境分布情况,探讨了BPEC系统在ECs去除方面的研究进展和降解机制。最后,分析了目前BPEC系统在ECs治理中所面临的挑战和未来前景。本综述旨在为BPEC系统在ECs处理中的应用提供了新见解,并展望其在环境修复、循环经济和清洁能源生产等领域的广阔应用前景。



















   目前,环境中超过3000种化合物及其衍生物被归类为ECs,包括农药、个人护理产品、药物、抗生素、抗生素抗性基因、微塑料、重金属和阻燃剂等。这些污染物的浓度从ng/L到μg/L不等,即使在微量浓度下,ECs也会对人类健康和水生生物构成显著的生态威胁与潜在风险。因此,近年来人们为开发安全有效的ECs治理技术做出了巨大努力,主要有物理、化学和生物技术,包括吸附、膜技术、高级氧化工艺(AOPs)和生物修复。然而,这些方法存在着高能耗、高成本或治理效率低等局限性。微生物光电化学(Biophotoelectrochemistry,BPEC)系统已被探索用于强化ECs治理,它将光敏剂的高效光收集特性与生物催化剂的高特异性、低成本、可自我复制和修复相结合,不仅具有光催化和生物降解的优点,还能有效克服它们的局限性。与传统的ECs处理技术相比,BPEC系统不仅具有可持续性和自我复制性,还具有高特异性、高效率和生态友好性。总的来说,BPEC技术在强化环境中的ECs治理方面具有很大的潜力。

图1 不同ECs处理技术的优点和局限

    BPEC系统包括三个基本要素:光、光敏剂和微生物。光敏剂与微生物主要有两种耦合方式,即通过静电相互作用和配体交换等机制直接接触,或通过附着在相同的多孔载体上而紧密的间接接触。载体的使用可以有效保护微生物免受光损伤和自由基的攻击,形成一个间接耦合的光催化和生物降解系统。尽管BPEC系统用于治理ECs仍处于早期发展阶段,其降解ECs主要涉及两种途径:
    (1)光电子生物还原途径:微生物接受来自无机或有机半导体等光捕获剂受光激发产生的电子,其作为生物还原独特而重要的驱动力驱动微生物降解ECs;
    (2)生物降解光催化中间产物途径:光催化剂在太阳照射下氧化持久性和不可生物降解的有机化合物,生成可生物降解的中间产物,这些中间产物可被微生物进一步降解。

图2 (a), (b) BPEC系统的典型耦合方式; (c) BPEC系统中各种载体的发展和特点; (d)~(g) 载体的优化; (h), (i) BPEC系统降解ECs机制

    目前已有部分研究报道BPEC系统用于ECs治理,包括持久性有机污染物、抗生素、重金属、微塑料等。这些研究利用BPEC技术可以将ECs转化为无毒产品、燃料、化工产品或完全矿化为CO2和H2O。此外,光催化具有广泛的底物范围,而生物催化的特点是高特异性、底物范围窄。二者结合的BPEC系统可以突破微生物只能降解可生物降解污染物的功能限制,提高产物的选择性,对多种ECs的降解具有优越的可行性和实用性。尽管目前BPEC技术治理ECs的研究尚处于起步阶段,其在环境治理、循环经济和清洁能源生产等领域具有广阔的应用前景。

图3 Methanosarcina barkeri-碳点功能化聚氮化碳BPEC系统实现微塑料-甲烷转化。(a) BPEC系统内连续5个24天周期的CH4产量;(b) 5个循环的CH4平均产率和选择性;(c) 微塑料降解机制

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