生物炭介导微生物电子传递

生物炭含有丰富的具备氧化还原活性的官能团, 如醌、酚羟基、芳香环等,使生物炭能够作为电子供体、电子受体或电子的传递桥梁, 介导微生物的电子传递过程, 促进微生物的代谢活动,从而有利于提高依赖微生物代谢进行的元素循环和有机污染物降解的效率。例如,电子供体的缺少会导致反硝化细菌的反硝化作用不完全,从而导致土壤N2O排放量增加, 而300℃的稻秆生物炭可作为电子供体促进反硝化细菌的反硝化作用, 从而降低土壤N2O的排放量。同样地,硫还原地杆菌很难直接降解五氯苯酚, 稻秆生物炭表面的酚羟基等氧化还原官能团可作为电子供体促进微生物细胞和五氯苯酚分子之间的电子转移,从而显著增强硫还原地杆菌对五氯苯酚的降解效果。发现金属还原地杆菌在没有电子受体时不能分解利用醋酸盐, 而550℃的木质生物炭中的醌基可作为电子受体参与金属还原地杆菌对醋酸盐的氧化。此外,生物炭还可作为微生物细胞与矿物之间的电子传递桥梁,加速其电子转移速率。如620℃木屑生物炭通过充当铁(III)矿物还原细菌的电子传递桥梁,将电子从生物炭转移到Fe(Ⅲ)矿物以刺激电子转移,加快了Fe(Ⅲ)氧化矿物和铁氢化物的还原。生物炭的电子交换能力,即电子交换容量(EEC)，决定了其介导微生物电子传递的效率。EEC是电子供给容量(EDC)和电子接收容量(EAC)的总和,用来表示生物炭提供和接收电子的能力。热解温度是影响生物炭EEC的重要因素,生物炭低温热解下易形成酚类物质,中高温度下易形成醌基, 主要决定了电子供体(主要为酚类)的EDC以及电子受体(主要为醌基)的EAC。因此, 针对不同反应的降解行为,可选择不同温度的生物炭,以加快污染物降解效率。综上, 生物炭参与并促进了微生物细胞与污染物分子之间的电子传递,增强了微生物代谢降解活动, 加快了污染物的降解, 为开发高效降解土壤污染物的生物电化学策略的发展提供了依据。