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Bridge-Mediated Electron Transfer: Bioinspired Redox Communication for Sustained Nitrite-Independent Anaerobic Ammonium Oxidation

化学 电子转移 氧化还原 亚硝酸盐 无氧运动 光化学 无机化学 有机化学 硝酸盐 生理学 生物
作者
Quanhao Dou,Jiachun Yang,Li Zhang,Running Fan,Yongzhen Peng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (26): 22655-22665 被引量:9
标识
DOI:10.1021/jacs.5c04107
摘要

The lack of nitrite (NO2–) in real wastewater severely limits the sustainable nitrogen removal of anaerobic ammonium oxidation (anammox). Although microbial extracellular electron transfer (EET) provides a new approach for NO2–-independent anammox, the slow electron transfer at the microbe–material interface hinders its engineering application. Herein, this study proposes a strategy to enhance the electrical contact between microorganisms and insoluble acceptors through conductive bridging materials (e.g., Fe2O3 nanoparticles encapsulated by flavin-rich extracellular polymeric substances). Results showed that the interface between anammox bacteria (AMX1) and Fe2O3 exhibited a high electron flux (6.86 mA·cm–2), considerably higher than all reports to date, achieving stable ammonium (NH4+) removal of approximately 97.90% and operating continuously for over 150 days. Building on the efficient EET, Fe2O3 was further triggered into Fe2+/Fe3+ redox signaling for microbial metabolic coordination. Specifically, Fe2+ signals channeled reducing power into coenzyme A/biotin synthesis in symbiotic bacteria (VER2) and fed back to the carbon fixation enzyme (FC = 1.1-fold) of AMX1 through chemotaxis migration and cross-feeding, while Fe2+ was reconverted to Fe3+. The Fe3+ signals induced gene expression (Log2FC > 0) of EET-associated proteins and simultaneously facilitated the conversion of electricity to critical chemical energy, accelerating the autotrophic growth of AMX1. In this way, anammox bacteria not only survived but also thrived in NO2–-limited environments, with relative abundance increasing by 127.22% to sustain NH4+ removal. This study offers a novel solution to the NO2– supply challenge in wastewater treatment, advancing industry toward carbon neutrality goals.
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