Small Methods: 电化学还原硝酸盐助力生态系统氮循环

氮是生命活动和自然循环的必需元素之一,它存在于构成蛋白质的氨基酸中,是脱氧核糖核酸(DNA)的四个基本元素之一。大气、陆地和海洋的生态系统通过氮循环紧密关联。

然而,人类活动已极大地改变了自然界的氮循环,这反映在化石燃料的广泛使用,以及农业和工业对含氮化合物日益增加的需求以及普遍低下的利用率。在农业中,氮肥的缺失将导致土壤肥力下降、有机物消耗、土壤侵蚀甚至荒漠化。农业对氮肥的巨大需求超过了生物固氮的供应,这促进了工业固氮的发展。

无节制的氮排放进一步加剧了氮循环的失衡。氮污染的第一个破坏性后果是水生态圈的恶化。水体中过量的活性氮(例如,NO2,NO3,NH4+,NH3)会导致富营养化,这可能导致赤潮和水生动物窒息而死。氮污染的第二个严重后果是反硝化过程中一氧化二氮(N2O)的排放。在反硝化过程中,细菌和真菌会代谢NO2和NO3,并产生N2O(真菌)和N2(细菌)。尽管细菌的反硝化作用可以还原N2,但是大量的中间产物N2O会在进一步还原之前脱附。据估计,约有75%的N2O被释放到了大气中。在大气中,N2O转化为NO,而NO是一种极具破坏力的温室气体,其百年升温潜能约为CO2的300倍。这使得N2O成为仅次于CO2和CH4的重要温室气体。更重要的是,亚硝酸盐和硝酸盐将直接威胁人类健康。亚硝酸盐源自于硝酸盐,是重要的致癌物,可导致各种疾病。亚硝酸盐可以将血红蛋白的亚铁离子氧化成三价铁离子,从而破坏红细胞的氧气转运机制。氧气输送受损会引发紫绀、疲劳、呼吸急促、脑缺氧甚至死亡。婴儿和胎儿对高铁血红蛋白血症尤其敏感,高铁血红蛋白血症也被称为“蓝色婴儿综合症”。饮用水中的硝酸盐也与人类内分泌系统的损害有关。为了最大程度地减少硝酸盐对健康的不利影响,世界卫生组织设定了建议的饮用水中最大污染物水平(MCL)为50 mg L–1 NO3–1。令人不安的是,近年来,地下水中硝酸盐的含量持续增加。

目前,人们已经开发了包括生物反硝化,化学/催化还原,离子交换/反渗透,电渗析等技术来降低饮用水中的硝酸盐含量。然而,这些技术需要的高昂的设备安装费用、运营和维护成本,并且需要添加额外的化学试剂。所产生的副产物含有浓缩的硝酸盐,需要进一步处理。与这些技术相比,电化学脱除硝酸盐利用电子作为绿色还原剂,并且在操作后无有害的残留物。电化学脱除硝酸盐的运行条件温和,所需的装置安装占地面积小,是一种很有前途的分布式反硝化技术。

近日,纽约州立大学布法罗分校的武刚教授团队,系统地总结了近年来在电化学脱除硝酸盐的最新研究进展。该综述论文以“Restoring Nitrogen Cycle by Electrochemical Reduction of Nitrate: Progress and Prospects”为题在线发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000672)。论文第一作者为曾亚超博士。

该综述总结了电化学法脱除硝酸盐的最新研究进展,重点介绍了该研究领域面临的挑战。第一部分主要讨论了电化学还原NO3反应所涉及的热力学和动力学。第二部分系统阐述了影响电化学还原NO3的活性和选择性的主要因素,包括催化剂的类型、催化剂的晶面及表面修饰、电解液以及电极结构。第三部分深入讨论了电化学脱除硝酸盐的电解池设计,具体包括阴极材料的选型,阴阳极的适配,以及电化学反应装置的构造。最后,结论部分重点介绍了电化学还原NO3的发展方向,这有望为电化学脱除硝酸盐的相关科研工作者提供宝贵的借鉴。