摘要：一种大规模治理的解决方案是使用生物反应器，通过设备化利用微生物过程高效去除水体中的过量氮素，将其转化为毒性较低的形式（如硝酸盐或氮气），从而帮助恢复自然生态系统的氮平衡。

对微生物胞内电子流的精确计算推动了更高水体氮素去除方法的发展。

农业面源径流、废水排放以及化石燃料的燃烧会增加环境中的氮含量，提升有毒藻类水华的爆发，耗尽水体中的氧气。

一种大规模治理的解决方案是使用生物反应器，通过设备化利用微生物过程高效去除水体中的过量氮素，将其转化为毒性较低的形式（如硝酸盐或氮气），从而帮助恢复自然生态系统的氮平衡。

要构建高效且经济适用的生物反应器，首先需要揭示这些生化反应过程的复杂化学反应机理。这个难题的部分答案在几十年前被发现，如今已被应用于中国广州市大坦沙污水处理厂的一项为期一年的中试与示范研究，用于优化废水处理过程。

图片来源：贵州大学

周少奇通过引入电子流守恒的概念，推导了描述环境氮循环化学的生化反应计量方程，从而提升了生物反应器中废水处理的效率。

艺术化呈现的原子内部电子运动示意图。在微生物细胞内原子、分子和离子之间的“电子流”概念，有助于深入理解废水处理中发生的多种生化反应。

微生物“鸡尾酒”

“提升生物反应器的设计水平迫在眉睫。”生物学家周少奇表示，优化生物反应器设计的关键在于全面深刻理解氮的生物转化过程。周少奇是国际欧亚科学院院士，曾担任中国贵州大学副校长，他带领团队开发了支撑新型废水处理技术的数学模型。

氮是生命必不可少的基本组成要素，它参与了许多生命关键分子的构建，包括那些负责细胞生长、能量储存以及遗传信息传递的分子。氮元素在自然界中以各种化学形式实现循环转化，流变于大气、土壤、水体、植物、动物和细菌之间。

过去，人们通过一系列化学方程揭示的反应物和生成物之间物质与能量的平衡来理解生物氮的循环。这些方程基于实验室研究，可帮助科学家计算生物过程中氮素，如氨氮（一种氮和氢的化合物），和其他生化过程产物或去除物质的量。

然而，周少奇指出：“尽管已有一个多世纪的氮素循环研究历史，但生物学家依然难以推导理论方程以准确预测自然环境中的氮含量，仅靠实验室观察结果远远不够。”微生物细菌行为的多样性，例如不同种类细菌能在富氧或厌氧环境中生长，使得氮循环各步骤中生化反应的输入和输出计算尤为复杂。

缺失的拼图

20世纪90年代中期，时任香港大学博士后研究员的周少奇在实验研究垃圾填埋废水中氮的去除时认识到，如果不明确计算反应过程中化合物间电子的转移关系，这些生化反应方程将无法达到平衡，氮循环的生化计量方程将缺少一个关键的反应，周少奇将这一过程命名为“硝反硝”反应，因为它耦合了硝化与反硝化两大反应过程（即氨氮为电子供体、硝氮为电子受体）。

周少奇说，利用电子流守恒原理，能够更准确地预测废水处理过程中有机化合物与无机化合物之间发生的各种化学反应。更重要的是，周少奇发现了一个计量模型，用以描述生化反应中的各种电子“供体”与耗氧量之间的关系。他将这一全新的方法命名为“电子计量学”。

规模化应用

自提出电子计量学以来，周少奇团队通过新的化学计量方程，不断深化对氮循环的研究，并利用这些方程和COD/N比计量模型，开发出更为高效经济的方法用于处理各种废水，诸如城市污水、垃圾渗滤液、炼油废水和化肥废水。

周少奇因其创新成果多次获奖，包括2008年中国国务院颁授的国家科技进步奖，以及2021年联合国世界知识产权组织（WIPO）的Best Inventor奖。他感谢贵州大学的支持，该校参与了中国“双一流”世界一流大学的建设计划。

目前，周少奇团队正致力于“全链条创新”—从理论研究，到技术开发，再到商业化应用。他解释道：“难度在于实现工程化应用，有时工程化应用规模比实验室研究规模放大超过33万倍。”

然而，周少奇补充说，这些理论与模型计算的商业化应用“以后可以催生创新设备和反应器的研发，其投资和运行成本将大为降低。”

除了优化氮素去除的生物反应器设计外，周少奇还致力于将这项技术推广应用于中国农村地区的污水处理，以及同样面临水体氮素污染问题的其他国家。

周少奇坚信，“电子生物学”将为全球水生态系统的未来健康提供新希望。

来源：东窗史谈