NAT COMMUN ∣温度热量驱动，材料-生物反硝化作用

文献信息：

作者：Jie Ye, Shuhui Wang, Chaohui Yang, Zhenhao Zuo, Wenzhi Gu, Baogang Zhang, Shungui Zhou

发表时间：01 July 2025

https://doi.org/10.1038/s41467-025-60908-w

Nature Communications 影响因子：16.6

背景介绍

全球污水处理厂（WWTPs）每天把大量硝酸盐排入水体，传统“厌氧-缺氧-好氧”（A-A-O）工艺不得不外加甲醇等有机碳源，既抬升3.5–8.5%运行费，又贡献20%以上碳排。另一面，城市污水本身就携带巨量低品位热能：住宅40%的散热随污水流失，1 m³废水每降1 ℃可释放1.16 kWh热量；日照亦使水体昼夜温差达10–15 ℃。过去这些热量被当作“废热”直接散失，如何把它变成驱动反硝化的免费能源，仍是空白。

最新研究把“废热”与微生物耦合：将反硝化硫杆菌（Thiobacillus denitrificans）与热电材料二硫化钨（WS₂）组装成生物杂合体。WS₂在5 ℃微小温差下即可产生热电电荷，直接充当微生物的“电子粮”，实现硝酸盐→氮气的全程还原。实验室里，该体系连续3个5 d周期硝酸盐去除率100%；真实废水中，自然昼夜温差即可让去除效率最高提升8倍，生命周期评估与成本核算均优于A-A-O。热电生物反硝化为污水处理厂提供了“零碳源、低能耗”的新范式。

图文解读

图1 T. d-WS₂生物杂化体的示意图

a) T. d-WS₂的描绘，通过加热-冷却周期中的温度波动进行热释电生物反硝化。 

b) T. d-WS₂生物杂化体的构建。 

c) T. d-WS₂热释电生物反硝化提议途径。细胞内和细胞外的WS₂在温度变化下产生的电子被T. d用于将NO₃⁻还原为N₂/N₂O。

图2

 a) T. d-WS₂通过加热-冷却循环（3/30分钟）进行热释电生物反硝化的示意图。 

b) T. d-WS₂和缺失对照的NO₃⁻还原。 

c) T. d-WS₂在三个连续5天周期中的NO₃⁻还原典型时间进程。 

d) T. d-WS₂对¹⁵N-KNO₂的还原。信号强度以任意单位（arb. units）表示。 

e, f) T. d-WS₂中¹⁵N (e) 和¹³C (f) 的ToF-SIMS成像（插图显示无温度变化的T. d-WS₂）；代表10张图像。 

g) T. d-WS₂在三个连续5天周期中的细胞生物量变化。 

h) T. d-WS₂的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像（红色和绿色分别代表死细胞和活细胞）；代表10张图像。数据为n=3次独立实验得出的平均值±标准差。比例尺：(e, f) 50 μm，插图50 μm，(h) 20 μm。源数据作为源数据文件提供。

图3

a) T. d-WS₂的扫描电子显微镜（SEM）图像（插图显示裸T. d）；代表10张图像。 

b, c) 通过COMSOL有限元分析的WS₂中的温度 (b) 和电势 (c) 分布。 

d) WS₂的SECM形貌图像；代表10张图像。 

e) 加热/冷却循环（30/30秒）下的I-t曲线。

f) 热释电流强度与温度变化率和WS₂剂量的相关性分析。数据为n=3次独立实验得出的平均值±标准差。统计分析采用配对双尾t检验。比例尺：a图2 μm，插图1 μm。源数据作为源数据文件提供。

图4

a) WS₂喂养细胞横截面切片的代表性透射电子显微镜（TEM）图像，其中实线圈内的暗色簇被指定为积累的WS₂纳米颗粒（插图显示裸T. d）；代表10张图像。 

b) 不同高度Z处T. d细胞的堆叠共聚焦图像显示WS₂在整个细胞中的分布；代表10张图像。 

c–e) T. d-WS₂中NO₃^-还原速率（P₁=0.0269, P₂=3.5738×10^-9）(c)、ATP浓度（P₃=4.7999×10^-6, P₄=8.6249×10^-5）(d) 和NADPH/NADP⁺比率（P₅=0.0005, P₆=0.0008）(e) 的变化。数据为n=3次独立实验得出的平均值±标准差。统计分析采用配对双尾t检验：*P ≤ 0.05, **P ≤ 0.01, ***P ≤ 0.001。比例尺：(a) 300 nm，插图300 nm。源数据作为源数据文件提供。

图5

a) T. d在温度波动下选择性能量转移的代谢响应电路示意图。紫色部分代表应激响应过程，粉色部分代表反硝化过程，橙色部分代表电子传递链（ETC），绿色部分代表Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环，蓝色部分代表糖异生（GNG）途径。相应过程中的基因和产物的全名可在补充数据1中找到。OM和IM分别表示外膜和内膜。 

b) 在温度波动和对照条件下T. d-WS2的关键基因表达水平热图（n=3），以及基因在温度波动下的log₂（倍数变化）值。 

c) T. d-WS₂在热释电生物反硝化过程中关键过程的基因本体（GO）功能富集分析。点的大小表示功能富集基因的数量，点的颜色表示富集基因的显著性。统计分析采用配对双尾t检验和DESeq2（1.20.0），使用Benjamini-Hochberg方法调整P值。 

d) 通过Pearson方法进行基因表达相关性分析，通过Mantel检验分析细胞色素与其他关键基因的相关性。线的颜色代表Mantel’s p值，线的粗细代表Mantel’s r值。源数据作为源数据文件提供。

图6

 a–c) 猪废水 (a)、厨房废水 (b) 和不锈钢废水 (c) 中NO₃^-还原的典型时间进程，历经两个连续周期。 

d) A-A-O、H₂-MABR 和 BHPD 工艺的示意图。

e, f) 通过生命周期评估（LCA）评估的环境相关描述符的影响分数（e）以及这三种路线的经济成本（f），假设H₂-MABR工艺中膜的使用寿命为15年。数据以箱线图形式呈现，源自10,000次蒙特卡洛模拟试验。每个图中，箱内中线代表中位数，单个数据点表示均值。箱的上下边缘分别对应第90百分位数和第10百分位数，须线指示最小值和最大值。源数据作为源数据文件提供。

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