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微弱电场的“双重魔法”：同时激活微生物渗透压调节与电子传递，高盐电池废水处理效率飙升

发布时间：

2026-05-09

退役锂电池放电废水是一种典型的高盐、高有机物的难处理工业废水（盐度＞4%，TOC约1500 mg/L）。传统厌氧颗粒污泥工艺虽经济环保，但在高渗透压胁迫下，微生物细胞脱水、代谢受阻，处理性能大幅下降。如何在高盐环境下维持微生物活性，成为该领域长期未解的核心难题。本文创新性地引入微弱直流电场，系统解析了电场如何同时激活微生物的电子传递与渗透压调节两大通路，使高盐废水处理效率获得显著提升，美格基因提供了相关组学的测序的支持。

英文标题：Synergistic role of microbial osmoregulation and electron transfer on enhancing high-salinity battery discharge wastewater treatment under electrochemical stimulation

中文标题：微生物渗透调节和电子转移对电化学刺激下高盐度电池放电废水处理的协同作用

作者：Yongsen Shi等

期刊/IF：Water Research（13.4）

发表时间：2026.03.22

组学：16S、宏基因组、宏转录组

DOI：10.1016/j.watres.2026.125805

图形摘要

研究背景与目的

退役锂电池放电废水是一种典型的高盐、高有机物的难处理工业废水（盐度＞4%，TOC约1500 mg/L）。传统厌氧颗粒污泥工艺虽经济环保，但在高渗透压胁迫下，微生物细胞脱水、代谢受阻，处理性能大幅下降。如何在高盐环境下维持微生物活性，成为该领域长期未解的核心难题。

本研究创新性地引入微弱直流电场，考察其对厌氧生物处理实际高盐放电废水的强化效果，并系统解析其内在机制。研究聚焦于三个核心科学问题：

1. 电场如何影响微生物群落结构与代谢？

2. 电场如何调控高盐胁迫下的微生物电子传递？

3. 电场如何刺激微生物渗透压调节以抵抗盐胁迫？

材料与方法

2.1 基质、接种物和电极的制备

高盐放电废水（盐度＞4%）：有机碳（TOC: 1314.0～1751.6 mg/L）和 SO₄^2-（371.3～563.7 mg/L）。

驯化阶段使用合成放电废水（盐度0.1%～2%）：TOC 约 1600 mg/L，由碳酸乙烯酯（在实际放电废水中检测到的主要有机物）提供。

电极：阴极：碳纤维（长度10 cm、直径5 cm）

阳极：石墨板（长度10 cm、宽度5 cm、厚度0.5 cm）

所有电极材料在使用前均用去离子水清洗并在105°C下干燥。

样品分组：颗粒污泥、阳极生物膜、阴极生物膜。

2.2 反应器设置

构建传统厌氧反应器（AnBTR）与电场耦合厌氧生物电化学反应器（DF-AnBTR），平行运行93天。

2.3 微生物分析

16S rRNA测序、宏基因组、宏转录组。

2.4 理化分析

TOC、甲烷产量、硫酸盐去除、VFAs、离子浓度等。

2.5 生理学分析

EPS组分分析：蛋白质（BCA蛋白测定试剂盒）、多糖（硫酸苯酚法）、腐殖质（改良Lowry法）；官能团（傅里叶变换红外光谱仪）；微生物形态（扫描电子显微镜、共聚焦激光扫描显微镜）；渗透调节物质（K⁺、谷氨酸、四氢嘧啶等）；NADH/NAD、脱氢酶和辅酶F420、ATP、乳酸脱氢酶、乙酸激酶和细胞色素等。

2.6 电化学分析

电子传递能力：电化学工作站

2.7 生信分析

每个样本进行三次重复分析，数据以平均值±标准差表示，p值< 0.05 表示具有统计学显著差异。宏基因组和宏转录组数据基于TPM（每百万转录本）丰度进行统计。此外，使用Origin和R分析实验数据并绘制图表。

结果

3.1 微弱电场显著提升高盐放电废水处理性能

在盐度>4%、HRT缩短至1天的严苛条件下，DF-AnBTR较AnBTR实现了：甲烷产量提高43.8%、TOC去除率提高24.4%（从46.2%提升至71.2%）、SO₄^2-去除率提高17.7%（从61.6%提升至79.3%）、电极生物膜贡献了37.3%的TOC去除增量，表明电场不仅增强了污泥代谢，还通过电极富集功能菌群实现协同增效。

图1 AnBTR与DF-AnBTR处理高盐放电废水的性能对比

3.2 微生物群落定向重塑：

（1）耐盐电活性菌成为主角

电场驱动微生物群落发生显著分化：Desulfovibrio（耐硫酸盐还原菌）在颗粒污泥和阴极生物膜中高度富集（相对丰度15.7%～18.7%），成为有机物降解与硫酸盐还原的核心菌。变形菌门在电极生物膜中明显增多，赋予系统更强的有机物与硫代谢能力。

图2 AnBTR和DF-AnBTR样品属级微生物群落分析

（2）高盐胁迫下电化学驱动产甲烷菌的定向富集与协同产甲烷机制

在高盐胁迫下，电化学刺激促进了耐盐产甲烷菌在电极上的定向定殖，并驱动其通过直接种间电子转移（DIET）与多种功能菌群高效协同，从而有效提升高盐废水的生物处理效能。产甲烷菌空间分异：阴极生物膜富集Methanobacterium（氢营养型），阳极生物膜富集Methanosarcina（乙酸营养型+甲基营养型）。

图3 acidification-related基因的TPM丰度

3.3 电化学刺激下的代谢功能增强：产酸、产甲烷通路上调

宏基因组与宏转录组分析表明，电场在高盐胁迫下显著上调了：糖酵解（EMP）、丙酮酸代谢、TCA循环等产酸产氢通路基因（上调2.1%～109.3%），氢营养型、乙酸营养型产甲烷通路基因（上调0.8%～256.8%），阴极生物膜中产甲烷基因总丰度是AnBTR颗粒污泥的1.55倍。

图4 细菌电子转移链（a1）及相关基因（a2）、EET基因（b）示意图

3.4 核心机制：电子传递与渗透压调节的协同增强

（1）电子传递能力提升

电场提高了胞内NADH/NAD⁺循环效率，NADH/NAD⁺比值降低，反映电子从NADH向呼吸链的转移加快。

EPS中氧化还原官能团（酰胺I/II）增加，电子接受/供给能力显著增强（p < 0.001）。细胞色素c浓度提高8.1–27.2%，其直接电子传递能力也显著增强。电极生物膜的电子传递能力大幅高于颗粒污泥。

（2）渗透压调节能力增强

高盐胁迫下，电场促进了微生物K⁺内流与Na⁺外排（K⁺浓度从13.2增至19.4～22.7 μmol/g VS）。

关键渗透压保护剂（相容溶质）显著累积：

（1）谷氨酸↑37.9%～102.8%

（2）四氢嘧啶（ectoine）↑21.8%～42.8%

（3）海藻糖（trehalose）↑16.6%～56.4%

（4）甜菜碱（betaine）↑37.1%～101.0%

宏基因组显示，电场上调了K⁺转运（trk、kdp）、Na⁺/H⁺反向转运（nhaC、mnh），以及谷氨酸、四氢嘧啶、海藻糖、甜菜碱的合成与转运相关基因。特别发现在Methanosaeta和Methanobacterium中鉴定出完整的四氢嘧啶合成通路，且电场促进其表达——这是首次在混合厌氧产甲烷群落中证实电场对古菌渗透压调节的直接调控。

图5 六期（a-e）污泥和电极生物膜样品中K⁺、谷氨酸、四氢嘧啶、海藻糖、甜菜碱的细胞内浓度

（3）二者协同强化代谢

促进/抑制实验表明，增强渗透压调节可提升电子传递活性；而抑制电子传递则会削弱处理性能。渗透压保护剂含量与NAD⁺/NADH比值呈正相关（P < 0.05），提示相容溶质可能通过维护酶结构和NADH再生间接促进电子传递。

图6.电化学刺激下排放废水生物处理过程中渗透调节和电子传递对TOC去除的影响（a）。渗透调节对

NAD⁺/NADH比值（b）和电子传递系统（ETS）活性的影响（c）。电化学刺激下电子传递和渗透调节对增强代谢的协同作用（d）

讨论

本研究首次系统揭示了微弱直流电场在高盐厌氧生物处理中的双重调控作用：一方面通过强化胞内/胞外电子传递链驱动高效产酸、产甲烷与硫酸盐还原；另一方面通过激活微生物渗透压调节系统（离子转运 + 相容溶质合成与转运）保护细胞结构与代谢功能。二者协同作用，使微生物群落获得更强的盐耐受性与代谢活性，从而显著提升实际高盐电池废水的处理性能。

与以往使用合成高盐废水或短期批次实验的研究相比，本研究基于长期连续流真实废水处理，提供了更贴近工程实际的多组学证据。特别是发现产甲烷古菌具备四氢嘧啶合成能力并受电场调控，拓展了我们对厌氧微生物盐适应机制的认知边界。

结论

微弱直流电场通过协同增强微生物的电子传递能力与渗透压调节能力，显著提升了厌氧颗粒污泥对高盐（> 4%）电池放电废水的处理性能，实现了甲烷产量提高43.8%、TOC去除提高24.4%、硫酸盐去除提高17.7%。本研究为高盐工业废水的绿色、低碳生物处理提供了全新策略，也为理解电场调控下微生物盐适应与代谢增强的耦合机制奠定了理论基础。DF-AnBTR产生的额外甲烷能量（21.9 kJ/HRT）远高于电耗（0.8 kJ/HRT，仅占3.6%），展现出良好的工程应用前景，可与下游膜技术耦合，实现盐/金属回收与水回用的闭环资源化流程。