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硝酸盐（NO3-）是水体中的主要含氮污染物，其污染严重危害着人体健康和生态环境。水体中NO3-的去除技术包括物理法、化学法和生物法。生物法因具有运行费用低、不易造成二次污染等优点，受到广泛的关注。生物法指微生物利用电子源将NO3-还原成N2的过程，该过程被称为微生物反硝化。根据提供的电子源种类，微生物反硝化分为异养（有机碳）和自养反硝化（氢气、硫等）两大类。然而，水体中常常存在着这两类电子源缺乏的问题，限制着微生物反硝化的发生。
近年来，光电子作为一种新型的微生物电子源，受到了研究者们广泛的关注。2016年，杨培东课题组在Science上首次证明，醋穆尔氏菌（Moorella thermoacetica，M.thermoacetica）能直接利用CdS半导体产生的光电子，将CO2转化为乙酸。随后，多篇报道也证实了光电子直接驱动微生物代谢的可能。然而，反硝化菌能否直接利用光电子进行反硝化作用却未曾报道。鉴于当前研究的空白，本论文第二章构建了一种半导体-非光合自养反硝菌杂化体系，证实了自养反硝菌能够直接利用光电子进行反硝化作用，该过程也被称为光电营反硝化（Photoelectrotrophic denitrification）。其次，半导体的激发不仅产生光电子，也会生成大量的活性氧物质（ROS），这可能会抑制反硝化过程中对氧气敏感的N2O还原酶，从而导致N2O释放。因此，本论文第三章通过分析反硝化过程中多种抑制因子对N2O还原的影响，揭示了在半导体-微生物这一特殊体系中N2O的释放机制。由于半导体-微生物杂化体系为近年来新兴的体系，光电子在半导体-微生物间的传递机理仍未明晰，因此在本论文第四章，采用了电化学、光谱学、分子生物学等分析技术，揭示了光电子在半导体-微生物间的胞外电子传递机制。
综上，本研究构建了一种非光合自养反硝菌（Thiobacillus denitrificans）与半导体CdS的杂化体系（T.denitrificans-CdS杂化体系），验证了在无传统电子源存在时的光电营反硝化过程的发生，揭示了该过程中N2O的释放机制及光电子的胞外转移机理。结论如下：
（1）首次构建了T.denitrificans-CdS杂化体系，证实了该杂化体在不存在含硫电子源时，在光照下具有还原NO3-的能力。NO3-还原的主要气体产物为N2O，占72.1±1.1%。其次为N2-N，占2.7±0.3%，N2O在气体产物中的比例高达96.4±0.4%。实时荧光定量PCR分析证实，相对于对照组，T.denitrificans-CdS光照后编码反硝化酶基因（narG、nirS、norB、nosZ、nirB）的相对转录丰度呈现显著性上调。在NO3-还原过程中，光电子为驱动T.denitrificans的主要电子来源。
（2）证实了T.denitrificans-CdS体系对NO3-投加浓度十分敏感，当NO3--N初始浓度从1.1增至13.5mg/L，N2O/(N2O+N2)比值也随之增加，从1.0%增至95.0%。该过程除了常见的中间产物亚硝酸（FNA）抑制外，ROS（·OH、O2-·、H2O2）也是影响N2O释放的特殊因素。相比于ROS对NO3-还原步骤的抑制，ROS对N2O还原步骤的抑制更为强烈。当起始NO3--N为13.5mg/L时，FNA、H2O2、O2-·、·OH对抑制N2O还原的贡献率分别为<70.2%、>15.0%、>5.4%、1.3%。当起始硝酸盐浓度增加时，编码N2O还原酶的nosZ基因的相对转录丰度也呈现了显著地下调，这也从基因水平证实了N2O还原酶的抑制表达过程。
（3）采用电化学手段观察到T.denitrificans-CdS体系中光电子能被T.denitrificans吸收的现象。光照后，T.denitrificans-CdS在-0.16V和-0.34V处出现一对氧化还原峰，表明T.denitrificans-CdS光电营反硝化过程产生电活性物质。结合二维红外光谱分析显示，T.denitrificans-CdS光照后新出现了2个细胞色素c基团的吸收峰，但血红素环(1575cm-1)、腐殖酸的νs(C-O)和δ(O-H)(1401cm-1)、胺和脂质的δ(C-H)(1336cm-1)的吸收峰强度逐渐减弱，基团变化顺序为血红素环→腐殖酸的νs(C-O)和δ(O-H)→胺和脂质相关的δ(C-H)。随后，胞外蛋白的光谱测定和分子学分析显示，相比于对照组，T.denitrificans-CdS光照后细胞色素c含量提高了3.2倍，其中细胞色素c552（～20kDa）表达增加，但细胞色素c1（～32kD）和亚硝盐还原酶（～65kDa）表达下降。
近年来，光电子作为一种新型的微生物电子源，受到了研究者们广泛的关注。2016年，杨培东课题组在Science上首次证明，醋穆尔氏菌（Moorella thermoacetica，M.thermoacetica）能直接利用CdS半导体产生的光电子，将CO2转化为乙酸。随后，多篇报道也证实了光电子直接驱动微生物代谢的可能。然而，反硝化菌能否直接利用光电子进行反硝化作用却未曾报道。鉴于当前研究的空白，本论文第二章构建了一种半导体-非光合自养反硝菌杂化体系，证实了自养反硝菌能够直接利用光电子进行反硝化作用，该过程也被称为光电营反硝化（Photoelectrotrophic denitrification）。其次，半导体的激发不仅产生光电子，也会生成大量的活性氧物质（ROS），这可能会抑制反硝化过程中对氧气敏感的N2O还原酶，从而导致N2O释放。因此，本论文第三章通过分析反硝化过程中多种抑制因子对N2O还原的影响，揭示了在半导体-微生物这一特殊体系中N2O的释放机制。由于半导体-微生物杂化体系为近年来新兴的体系，光电子在半导体-微生物间的传递机理仍未明晰，因此在本论文第四章，采用了电化学、光谱学、分子生物学等分析技术，揭示了光电子在半导体-微生物间的胞外电子传递机制。
综上，本研究构建了一种非光合自养反硝菌（Thiobacillus denitrificans）与半导体CdS的杂化体系（T.denitrificans-CdS杂化体系），验证了在无传统电子源存在时的光电营反硝化过程的发生，揭示了该过程中N2O的释放机制及光电子的胞外转移机理。结论如下：
（1）首次构建了T.denitrificans-CdS杂化体系，证实了该杂化体在不存在含硫电子源时，在光照下具有还原NO3-的能力。NO3-还原的主要气体产物为N2O，占72.1±1.1%。其次为N2-N，占2.7±0.3%，N2O在气体产物中的比例高达96.4±0.4%。实时荧光定量PCR分析证实，相对于对照组，T.denitrificans-CdS光照后编码反硝化酶基因（narG、nirS、norB、nosZ、nirB）的相对转录丰度呈现显著性上调。在NO3-还原过程中，光电子为驱动T.denitrificans的主要电子来源。
（2）证实了T.denitrificans-CdS体系对NO3-投加浓度十分敏感，当NO3--N初始浓度从1.1增至13.5mg/L，N2O/(N2O+N2)比值也随之增加，从1.0%增至95.0%。该过程除了常见的中间产物亚硝酸（FNA）抑制外，ROS（·OH、O2-·、H2O2）也是影响N2O释放的特殊因素。相比于ROS对NO3-还原步骤的抑制，ROS对N2O还原步骤的抑制更为强烈。当起始NO3--N为13.5mg/L时，FNA、H2O2、O2-·、·OH对抑制N2O还原的贡献率分别为<70.2%、>15.0%、>5.4%、1.3%。当起始硝酸盐浓度增加时，编码N2O还原酶的nosZ基因的相对转录丰度也呈现了显著地下调，这也从基因水平证实了N2O还原酶的抑制表达过程。
（3）采用电化学手段观察到T.denitrificans-CdS体系中光电子能被T.denitrificans吸收的现象。光照后，T.denitrificans-CdS在-0.16V和-0.34V处出现一对氧化还原峰，表明T.denitrificans-CdS光电营反硝化过程产生电活性物质。结合二维红外光谱分析显示，T.denitrificans-CdS光照后新出现了2个细胞色素c基团的吸收峰，但血红素环(1575cm-1)、腐殖酸的νs(C-O)和δ(O-H)(1401cm-1)、胺和脂质的δ(C-H)(1336cm-1)的吸收峰强度逐渐减弱，基团变化顺序为血红素环→腐殖酸的νs(C-O)和δ(O-H)→胺和脂质相关的δ(C-H)。随后，胞外蛋白的光谱测定和分子学分析显示，相比于对照组，T.denitrificans-CdS光照后细胞色素c含量提高了3.2倍，其中细胞色素c552（～20kDa）表达增加，但细胞色素c1（～32kD）和亚硝盐还原酶（～65kDa）表达下降。