环境学院赵迎新教授团队在Water Research发表文章

图文摘要

成果简介

近日，天津大学赵迎新教授团队在Water Research上发表了题为“Bio-promoter-driven conversion of 4-chlorophenol into utilizable carbon source: Enhancing electron supply-consume and attenuating bio-toxicity”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2025.124128)，针对毒性有机污染物4-氯苯酚（4-CP）对生物脱氮系统造成碳源限制和毒性胁迫的问题，创新性地提出了一种复合型生物促进剂策略，通过协同调控4-CP生物转化与电子供需，实现碳氮代谢耦合链路的功能修复。研究人员将L-半胱氨酸、生长因子与磷钼酸（PMo₁₂）构建为复合生物促进剂，促进4-CP降解以解除毒性环境的同时提升胞内电子供给量，驱动脱氮酶的协同表达以实现NO₃^--N的高效还原。基于代谢通路分析、电子转移系统活性检测、细胞毒性水平评估等多层次手段揭示了生物促进剂在缓解微生物氧化应激、稳定微生态结构方面的有效性，研究表明该策略可有效提升系统抗毒能力并恢复脱氮功能，为高毒性工业废水的生物脱氮修复提供了可行路径和理论基础。

成果详情

4-CP不仅是一种潜在的碳源，也是一种强效毒物，对碳供应模式和生物活性构成双重威胁。传统生物脱氮系统在处理含有毒有机污染物（如4-CP）的工业废水时，常面临碳源利用效率低、电子传递受阻及微生物毒性胁迫等问题，导致脱氮效率显著下降。本工作以生长因子和解毒剂基础，结合具备电子传递性能的PMo₁₂，构建了一种具有增强电子供应-消耗能力、降低4-CP生物毒性双重功能的复合型生物促进剂，仅在33个进水周期内将氮去除率恢复到96.43%，比自然恢复组提高了53.20%。

Fig. 1. (a) The schematic diagram of electron transfer in denitrification system and mechanism of electron transfer promoted by PMo₁₂; the contents of (b) ATP and (c) NADH in energy and electron supply process; the content of key electron carriers: (d) FAD, (e) FMN, and (f) cyt. c; denitrifying enzyme activity of (a) NAR, (b) NIR, (c) NOR, and (d) N₂OR; and the value of ETSA in R₁-R₄ during stages I-IV. Significant difference analysis: different letters (a, b, c, d, e, f, and g) indicated significant differences between treatments at a significance level of 0.05.

作为复合生物促进剂的主要组分，生长因子和PMo₁₂在重塑系统电子流传递稳态及系统氧化-抗氧化平衡方面起协同促进作用。生长因子通过提高系统中的生物量恢复了NADH和ATP含量，促进了电子产生；PMo₁₂通过促进提升FAD、FMN和cyt.c水平，增强了电子传递与消耗过程，有效恢复了NAR、NIR、NOR等酶活性，进而促进反硝化效率提升。4-CP诱发的脂质过氧化使微生物活性严重受抑制，导致系统碳源利用受限；生长因子和PMo₁₂协同作用下，恢复末期系统中ROS和MDA含量显著降低，标志着有毒环境的释放。

Fig. 2. (a) The metagenomic analysis of key enzymes involved in 4-CP metabolism and the schematic diagram of 4-CP metabolic pathways; and (b) the metagenomic analysis of key enzymes involved in glucose metabolism and the schematic diagram of glucose metabolic pathways. Significant difference analysis: * indicated p<0.05, ** indicated p<0.01, and *** indicated p<0.001.

复合生物促进剂作用下，恢复后的生物系统具备同时代谢4-CP和葡萄糖的能力，其中葡萄糖代谢的提高主要归功于微生物生长发育的恢复。PMo₁₂在驯化新的4-CP代谢功能属中起主导作用，且被固定在胞间的Mo可以持续增强微生物的4-CP降解能力。因此，生物系统可以迅速将有毒的4-CP转化为碳源进行利用，不仅可以缓解有毒环境，还可以激活系统补充碳源的利用能力。与此同时，复合生物促进剂作用下，与NO₃⁻-N和NO₂⁻-N还原相关的功能基因（napA、napB、napC、narG/nxrA、narH/nxrB、narI和nirS）显著上调，支持反硝化相关的电子消耗增强。此外，复合生物促进剂诱导了同时具有4-CP代谢、葡萄糖代谢和反硝化功能的细菌发育，功能微生物的协同作用（特别是Acidovorax和unclassfied_c_Betaproteobacteria）进一步保证了4-CP被转化为可利用的碳源。

主要作者简介

第一作者：王倩 天津大学环境科学与工程学院博士，以第一/通讯作者发表中科院一区SCI论文9篇，含Environmental Science & Technology、Water Research论文4篇。

邮箱：wangqian_5535@tju.edu.cn

通讯作者：赵迎新，天津大学环境科学与工程学院英才教授，研究领域为污水低碳处理与资源化，主要开展生物碳氮协同控制、有毒物质生物转化、高级氧化技术研究。在生态环境领域主要期刊如Environmental Science & Technology，Water Research等发表论文80余篇，主持国家重点研发计划项目、水专项子课题、国家自然科学基金等项目。研究成果成功应用于60余项污水治理工程，取得了良好的环境效益。获2024年天津市科学技术进步二等奖，2023年天津市自然科学二等奖，2021年天津市科学技术进步二等奖，2019年天津市优秀城乡规划设计奖一等奖等。入选国家级青年人才支持计划（2022），天津市青年科技人才第一层次（2024），天津市青年人才托举工程（2020）及天津市青科协优秀青年科技工作者（2021）等。

通讯邮箱：yingxinzhao@tju.edu.cn

（来源：赵迎新  编辑：田淑洁）