《Journal of Water Process Engineering》：Salinity-adapted microbial consortium enables stable and energy-positive treatment of hypersaline urea wastewater
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耐盐微生物燃料电池（SA-MFC）通过Halomonas和Geobacter的协同适应机制实现高盐尿氮素废水稳定处理，电压达320mV，尿素氮转化率45.5%。
Jiaxi Zhu|Chuanghui Wang|Weixin Yu|Yu Sun|Zhikun Song
北京交通大学机械、电子与控制工程学院，北京，100044，中国
摘要
高盐环境会强烈抑制微生物活性，从而限制了生物电化学系统的应用。本研究构建了一种适应高盐环境的微生物燃料电池（SA-MFC），使其适应20 g/L的NaCl浓度，以探讨微生物群落在高盐压力下的适应机制。与传统以效率为中心的方法不同，我们发现盐分起到了环境筛选的作用，促进了耐盐菌群的形成。通过群体层面的动态变化，微生物群落实现了功能补偿，其中Halomonas和Geobacter协同作用，形成了一个高效的共生体。在此基础上，SA-MFC在0–20 g/L的NaCl浓度范围内能够稳定发电，在20 g/L时电压达到320 mV，并且能够快速从盐分冲击中恢复（不到1小时）。同时，该系统实现了高效的尿素氮转化途径，转化率为45.5 ± 4.2%。这项工作将研究重点从效率优化转向了以稳定性为导向的微生物群落构建，为高盐废水生物电化学处理提供了新的思路。
引言
高盐尿素废水是一种典型的难处理工业和生活污染物，其特征是“三高”：高盐度、高尿素氮含量和高化学需氧量（COD），这严重扰乱了生态系统的物质循环[31]、[32]。这类废水的来源多样，但具有共同的特点：在生活场景中，人类尿液中约90%的氮以尿素的形式存在，收集的尿液废水的盐度为3–5 g/L NaCl，尿素浓度高达10–20 g/L；在工业场景中，海水养殖（盐度5–35 g/L NaCl）、化工生产和海水入侵地区的废水也富含尿素基有机氮（例如，剩余的饲料添加剂、化工合成副产品），由于工艺添加或环境渗透，这些废水的盐度和尿素浓度与高盐尿液废水非常相似[29]、[31]。尽管来源不同，这些废水都有一个核心污染问题——尿素在高盐条件下具有很强的化学稳定性且生物可利用性低，这使得传统处理技术难以高效降解[27]。
传统技术通常面临“处理效果、能源消耗和稳定性”之间的三重矛盾。生物过程（如活性污泥）在高盐条件下效率损失高达40–60%[5]、[29]；物理化学方法（如反渗透）需要较高的能源输入（5–10 kWh/m3）[15]，而混合电渗析仅适用于盐度≤15 g/L NaCl的系统，尿素去除率仅约为78%。这些限制凸显了迫切需要创新、低能耗且稳定的高盐尿素废水处理技术。
微生物燃料电池（MFC）能够同时处理废水并回收生物能源，是一种有前景的替代方案[2]、[10]、[11]。然而，高盐条件下电活性生物膜的抑制显著限制了其在高盐废水处理中的应用[28]。尽管之前的研究（如Mousavi等人[17]的酚类去除和Tomei等人[19]的混合生物反应器）展示了某些处理能力，但这些研究往往受到运行时间短（例如30天）或尿素去除效率较低（约80%）的限制。此外，Garrido等人[32]使用的多进料上流过滤器等策略主要关注去除效率，忽视了利用微生物群落适应性将盐分从“抑制剂”转变为“稳定性增强剂”的潜力[9]。然而，最近的综述指出，传统MFC在高盐压力下仍存在稳定性差、耐盐性低和氮平衡不封闭的问题，这表明迫切需要适应性强的微生物群落工程[34]、[36]。
目前仍存在一个关键的知识空白，即对持续高盐压力下微生物适应机制的理解不足。尽管Hassan等人[22]验证了MFC中尿素去除与电力生成之间的协同作用，但耐盐尿素降解菌Halomonas[1]与电活性菌Geobacter[3]在长期高盐条件下的功能相互作用仍不清楚[9]、[28]。实现稳定细胞外电子转移（EET）和尿素水解的功能协同作用对系统寿命至关重要，但目前尚未系统阐明[35]。此外，最近的研究证实Halomonas在高盐条件下具有优异的尿素水解和渗透保护剂合成能力[37]，但其在MFC中与电活性细菌（如Geobacter）的协同机制以实现稳定的尿素氮转化仍不明确。
为了解决这些空白，本研究构建了一种适应20 g/L NaCl浓度的微生物燃料电池（SA-MFC）。本研究不仅关注处理效率，还旨在探讨高盐压力下的微生物适应机制，特别是盐分如何驱动Halomonas和Geobacter之间的群落重构和功能补偿。通过结合电化学测试、微生物群落分析和15N同位素追踪，系统地阐明了从盐分抑制到功能适应的路径。这些发现为高盐尿素废水处理提供了新的思路，并为开发高效、稳定且能源正向的处理系统奠定了理论基础。
反应器构建和电极制备
使用有机玻璃制造了双室MFC，每个阳极和阴极室的工作体积为300 mL。两个室之间由预处理的Nafion 117质子交换膜分隔，以促进质子传输。膜的处理步骤如下：在去离子水中煮沸1小时，依次浸入0.5 M H?SO?和0.5 M NaOH各2小时，最后冲洗至中性——这与高盐环境下的标准处理协议一致
盐分对电化学性能的影响
盐分冲击测试按照2.1.4节所述的操作条件进行。不同NaCl浓度（0、5、10、15和20 g/L）对SA-MFC发电性能的影响如图1所示。
稳态电压从490 ± 5 mV（0 g/L）逐渐降至320 ± 5 mV（20 g/L），证实了高盐对微生物代谢活性的普遍抑制作用[7]、[28]。然而，变异系数（变异性的关键指标）...
结论
本研究成功开发了一种适应20 g/L NaCl浓度的高盐尿素废水处理的微生物燃料电池（SA-MFC）。盐分作为有效的环境筛选因素，促进了以Halomonas和Geobacter为主导的耐盐菌群的形成。研究发现了一种功能补偿机制，即关键功能微生物的群体富集抵消了盐分对单细胞代谢活性的抑制作用。
作者贡献声明
Jiaxi Zhu：软件开发、资金获取、数据分析、概念构思。Chuanghui Wang：数据可视化、验证、资源管理、实验设计。Weixin Yu：软件开发、资源协调、项目管理。Yu Sun：实验监督、软件使用、资源调配。Zhikun Song：资金获取、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者声明与本研究相关的财务和非财务利益如下。资金由大学生创新创业培训计划（授权号：202410004070）提供，该计划专门用于实验材料的采购。
