董海良：微生物介导绿脱石结构铁还原：生物炭的氧化还原中介体作用【GCA，2023】

发布时间：2023-04-28       阅读：7次

微生物介导的铁循环过程影响表生环境众多生源要素地球化学循环、污染物迁移转化以及气候变化等过程。粘土矿物结构中的铁离子是土壤与沉积物环境铁元素的主要来源之一。具有高比表面积和氧化还原活性的生物炭广泛赋存这些环境，但其对粘土矿物结构铁循环的作用机制仍缺乏系统研究。

针对上述科学问题，我校地球科学与资源学院董海良教授及合作者，利用异化三价铁还原模式菌株希瓦氏菌，在生物炭的作用下，以乳酸盐为电子供体、富铁粘土矿物绿脱石和柠檬酸铁为电子受体，进行严格厌氧条件下的微宇宙实验中，探究生物炭对矿物结构铁还原和厌氧微生物胞外电子传递过程的作用机理。研究取得创新性认识如下：

生物炭的氧化还原行为由多因素间的相互作用解释：1）生物炭的电子穿梭作用；2）生物炭的电子缓冲能力；3）生物炭表面对细胞分布的影响；4）生物炭对细胞附着和生长的影响。在无生物炭的情况下，电子转移途径是从细胞通过胞外电子传递路径直接转移到矿物结构Fe(III)（途径1），Fe(III)还原速率和程度较高。当存在生物炭时，电子传递先从附着的细胞到生物炭，后从生物炭到Fe(III)，即存在第二条电子传递途径（途径2），Fe(III)还原速率和程度与生物炭-微生物-矿物相互作用机制紧密关联：

1.    低浓度生物炭降低绿脱石Fe(III)生物还原的速率和程度。低浓度生物炭的存在降低了途径1的效率，因为即使生物炭颗粒从附着的细胞中接收电子，但由于带负电荷的生物炭和绿脱石颗粒之间的物理分离，生物炭无法将电子转移到绿脱石，从而于自身储存一定比例的电子。生物炭表面的细胞聚集可能会进一步降低细胞的有效浓度，从而对Fe(III)生物还原产生额外的抑制作用。然而，在还原可溶性柠檬酸铁时，途径2仍然有效，因为生物炭和可溶性Fe(III)之间没有物理屏障，生物炭的电子穿梭作用实际上提高了Fe(III)的生物还原速率。

2.    高浓度生物炭提高绿脱石Fe(III)生物还原的速率和程度。随着生物炭浓度的增加，生物炭的高比表面积令附着在其表面的细胞分布较为分散，增加了细胞与粘土矿物相遇的几率。在这种情况下，上述两种途径均有效。生物炭浓度的增加导致单位质量生物炭的电子储存率降低，而生物炭表面细胞的生长将进一步增强通路2的铁还原过程。然而，由于高浓度的生物炭会积累有毒物质并降低细胞浓度，对于可溶性柠檬酸铁的还原，这两种途径均可能受到抑制。

随着生物炭在土壤与沉积物环境中的积累，生物炭-粘土矿物-微生物间的相互作用频繁发生，该研究对于深化铁的氧化还原反应与其他生源元素地球化学循环过程具有重要意义。

图1 不同生物炭浓度的存在下铁还原菌对绿脱石的微生物还原途径的示意图

（A）在没有生物炭的情况下，绿脱石Fe(III)的生物还原过程（途径1）；

（B）在低浓度生物炭(≤0.5 g/L)条件下，绿脱石Fe(III)的生物还原过程（途径2）；

（C）在高浓度生物炭(≥2.5 g/L) 条件下，绿脱石Fe(III)的生物还原过程（途径2）

上述研究成果发表在地球化学国际权威刊物 《Geochimica et Cosmochimica Acta》上：Dong, H., Coffin E.S., Sheng Y., Duley, M.L., Khalifa, Y.M. Microbial reduction of Fe(III) in nontronite: Role of biochar as a redox mediator. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2023, 345: 102-116. [IF2021=5.921]

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.01.027