生物炭介导的电子转移驱动有机污染城市河流沉积物的生物修复：效果与机制

《Journal of Water Process Engineering》：Biochar mediated electron shuttling drives bioremediation of organically contaminated urban river sediments: Effect and mechanism

本研究利用核桃壳生物炭作为电子传递体，探究其对铁还原菌（IRB）降解城市河流高有机物污染（TOM 122.49±6.96 g/kg）的增效机制。结果表明：添加4%生物炭的DMB-BC组TOM去除效率达40.35%，较对照组提升31.48%，较仅添加IRB的DMB组提升36.27%。电化学分析显示DMB-BC组的电子传递能力提高3.95倍，Fe(III)还原速率提高3倍。微生物分析表明，添加生物炭显著增强Hydrogenophaga、Novosphingobium等EET相关菌属丰度，并上调与碳水化合物、能量及脂类代谢相关的功能基因表达，以及细胞色素c和醌类酶基因表达，证实生物炭通过提供电子传递通道和微生物附着位点，双重促进有机物降解协同效应。

　　城市河流底泥中有机污染物的修复对于改善水质和防止黑臭水体的反复出现至关重要。近年来，随着水环境治理政策的不断完善，工业废水和生活污水的非法排放得到了有效控制。然而，泵站排水和暴雨期间的地表径流，尤其是暴雨溢流事件，仍然导致有机污染物在底泥中的逐步积累。这些有机污染物在好氧或兼性微生物的分解作用下，会显著消耗溶解氧并降低氧化还原电位，从而形成一个高度还原的环境。在这种条件下，厌氧微生物群落逐渐成为有机物转化的主导力量，产生恶臭的短链脂肪酸以及挥发性硫和氮化合物。同时，沉积物中的硫化物与Fe(II)和Mn(II)反应，生成黑色不溶性化合物如FeS和MnS。这些矿物沉淀物随后吸附在水体中的微生物絮体上，最终形成黑臭水体的典型特征。这一机制表明，对沉积物中有机污染物进行高效且持续的降解是城市河流修复的关键。

生物修复技术因其环境友好性、可持续性和经济性，被认为是有机污染底泥修复的有前景解决方案。例如，近年来的对比分析表明，生物修复方法如生物刺激和生物强化，通常比传统的物理或化学方法（如清淤或热脱附）更具经济性。根据Chen等人的研究，生物修复在适当的情况下可以实现30%至60%的成本降低，这是由于其较低的能量消耗和操作复杂性，同时还能实现对处理后底泥的潜在资源回收。在各种微生物修复技术中，外源呼吸微生物，尤其是铁还原菌（IRB），因其独特的电子传递机制而受到广泛关注。与传统的细胞内呼吸不同，IRB可以通过细胞色素c、微生物纳米线或电子穿梭剂，将细胞内有机物代谢产生的电子传递给细胞外的不溶性电子受体（如铁或锰氧化物），从而促进底泥中有机物的降解。然而，实际的底泥环境复杂性带来了挑战：有机物往往通过吸附、络合或与铁矿物的共沉淀等物理或化学过程形成铁结合有机碳。这种复合结构容易造成空间阻碍效应，显著限制微生物和细胞外酶对有机物的接触，从而降低IRB的电子传递效率，制约有机污染底泥的修复效果。

电子穿梭剂是一类能够通过自身氧化还原反应介导电子传递的化合物。它们在微生物的细胞外电子传递过程中发挥着关键作用，显著加速电子从微生物细胞向终端电子受体的移动。电子穿梭剂不仅参与并调节微生物对各种矿物的还原过程，还与有机污染物的降解过程相耦合。在不同类型的电子穿梭剂中，生物炭因其多样的来源、优异的环境兼容性和可调节的氧化还原活性而受到特别关注。生物炭表面丰富的含氧官能团（如醌、酚和羰基）赋予其显著的氧化还原特性。研究表明，生物炭作为电子穿梭剂，能够显著促进微生物的还原过程。例如，Xu等人报告称，生物炭中的氧化还原活性成分能够显著促进铁细菌Shewanella oneidensis MR-1对赤铁矿的还原溶解。Chen等人证实，生物炭能够加速铁细菌Geobacter sulfurreducens对五氯苯酚的还原脱氯，其中约56%的电子传递是通过生物炭的穿梭机制实现的。此外，生物炭的多孔结构和高比表面积不仅有助于环境中的有机污染物吸附，还为微生物提供了附着位点，从而进一步提升细胞外电子传递的效率。然而，生物炭是否能够在底泥环境中作为电子穿梭剂，促进底泥有机物的生物降解，仍需进一步研究。

基于此，本研究旨在利用生物炭的电子穿梭特性，增强由IRB介导的细胞外电子传递过程，从而克服有机物的空间阻碍效应，实现对底泥有机物的高效降解。本研究的主要目标包括：（1）评估生物炭对底泥有机物生物降解效率的增强作用，并分析其电子传递特性；（2）阐明生物炭对底泥微生物群落结构和代谢功能的影响；（3）揭示生物炭如何增强IRB对底泥有机物的修复作用。通过这些研究，可以更深入地理解生物炭在生物修复过程中的作用机制，为城市河流污染治理提供科学依据和技术支持。

本研究采用来自中国天津蓟县的卫津河底泥中的铁还原菌进行富集培养。富集过程遵循我们之前建立的方法[27]。具体而言，将200克底泥置于1升的密封瓶中，加入800毫升的富集培养基。培养基的成分包括1.15克/升的Na?HPO?、0.20克/升的KH?PO?、1.47克/升的C?H?Na?O?、0.21克/升的NH?Cl以及2.70克/升的FeCl?·6H?O。培养在黑暗条件下进行，温度维持在30±1℃，并持续监测Fe(II)浓度的变化。这一富集过程旨在筛选出具有较强铁还原能力的微生物群落，为后续实验提供高效的生物修复剂。

实验中，选取了高有机物含量的底泥样品（122.49±6.96克/千克），并将其置于厌氧条件下进行90天的修复实验。实验分为两个处理组：DMB组仅添加富集后的IRB接种物，而DMB-BC组则在添加IRB接种物的同时，还加入了4%（质量/质量）的生物炭。实验结果表明，DMB-BC组的总有机物（TOM）去除量比对照组（CK）提高了31.48%，去除效率达到了36.27%的提升，这表明生物炭对IRB介导的TOM降解具有协同效应。电化学分析显示，DMB-BC组的电子转移能力和Fe(III)还原速率分别提高了3.95倍和3倍，进一步证明了生物炭在电子传递过程中的重要作用。微生物分析表明，能够进行细胞外电子传递（EET）的微生物属种，如Hydrogenophaga和Novosphingobium，其丰度有所增加，同时与碳水化合物、能量和脂类代谢相关的功能基因也出现了上调现象。此外，编码细胞色素c和醌相关酶的基因表达也增强，表明生物炭显著促进了直接和间接的EET途径。这些发现强调了生物炭在提供微生物附着位点和促进电子穿梭方面的双重作用，从而有效增强协同微生物代谢过程。

通过本研究，我们发现生物炭在铁还原菌介导的有机污染底泥修复中扮演着重要角色。其高比表面积和分层多孔结构不仅为微生物提供了丰富的附着位点，还通过其含氧化还原活性的官能团（如醌、酚羟基）促进了电子传递。电化学分析结果进一步验证了生物炭在提升电子传递能力和Fe(III)还原速率方面的显著作用。微生物分析则揭示了生物炭对微生物群落结构和代谢功能的积极影响，包括增强能够进行细胞外电子传递的微生物种类的丰度，以及上调与碳水化合物、能量和脂类代谢相关的功能基因。此外，编码细胞色素c和醌相关酶的基因表达增强，表明生物炭在促进直接和间接的电子传递途径方面发挥了关键作用。这些结果不仅为生物炭在生物修复中的应用提供了理论支持，也为城市河流污染治理提供了新的思路和方法。

在实际应用中，生物炭作为一种环境友好型材料，具有广泛的来源和可调节的物理化学性质，使其在不同环境条件下表现出良好的适应性。此外，生物炭的多孔结构和高比表面积使其能够有效吸附有机污染物，并为微生物提供附着位点，从而促进微生物与污染物之间的相互作用。这种特性使得生物炭不仅能够作为电子穿梭剂，还能在一定程度上改善底泥的理化环境，为微生物的生长和代谢创造更有利的条件。然而，生物炭在底泥环境中的实际应用效果还受到多种因素的影响，如生物炭的制备工艺、添加量、底泥的理化性质以及微生物群落的组成等。因此，进一步研究生物炭在不同环境条件下的表现，以及其与微生物群落之间的相互作用机制，对于优化生物修复策略具有重要意义。

本研究的结果表明，生物炭能够显著提升铁还原菌对有机污染底泥的修复效率。其作用机制主要体现在两个方面：一是提供微生物附着位点，二是促进电子传递。生物炭的高比表面积和分层多孔结构使其能够有效吸附有机污染物，并为微生物提供稳定的生长环境。同时，生物炭表面丰富的含氧官能团（如醌、酚羟基）能够促进电子传递，从而增强铁还原菌的代谢活性。这一双重作用机制不仅提高了有机物的降解效率，还改善了底泥的理化环境，为微生物的生长和代谢创造了更有利的条件。此外，生物炭的加入还促进了与碳水化合物、能量和脂类代谢相关的功能基因的表达，进一步提升了微生物的代谢能力。

在实际应用中，生物炭作为一种环境友好型材料，具有广泛的来源和可调节的物理化学性质，使其在不同环境条件下表现出良好的适应性。此外，生物炭的多孔结构和高比表面积使其能够有效吸附有机污染物，并为微生物提供附着位点，从而促进微生物与污染物之间的相互作用。这种特性使得生物炭不仅能够作为电子穿梭剂，还能在一定程度上改善底泥的理化环境，为微生物的生长和代谢创造更有利的条件。然而，生物炭在底泥环境中的实际应用效果还受到多种因素的影响，如生物炭的制备工艺、添加量、底泥的理化性质以及微生物群落的组成等。因此，进一步研究生物炭在不同环境条件下的表现，以及其与微生物群落之间的相互作用机制，对于优化生物修复策略具有重要意义。

本研究的结果不仅为生物炭在生物修复中的应用提供了理论支持，也为城市河流污染治理提供了新的思路和方法。通过生物炭的加入，可以有效提升铁还原菌的修复能力，从而实现对有机污染底泥的高效治理。这为城市河流修复提供了一种新的技术路径，即通过生物炭的物理化学特性，改善微生物的生长环境和代谢效率，进而提升污染物的降解速率。此外，本研究还揭示了生物炭在促进微生物代谢功能方面的积极作用，包括增强与碳水化合物、能量和脂类代谢相关的功能基因的表达，以及提升编码细胞色素c和醌相关酶的基因的表达水平。这些发现不仅有助于理解生物炭在生物修复中的作用机制，也为未来的研究提供了方向。

综上所述，本研究揭示了生物炭在铁还原菌介导的有机污染底泥修复中的重要作用。其作用机制主要体现在提供微生物附着位点和促进电子传递两个方面。生物炭的高比表面积和分层多孔结构使其能够有效吸附有机污染物，并为微生物提供稳定的生长环境。同时，生物炭表面丰富的含氧官能团能够促进电子传递，从而增强铁还原菌的代谢活性。这一双重作用机制不仅提高了有机物的降解效率，还改善了底泥的理化环境，为微生物的生长和代谢创造了更有利的条件。此外，生物炭的加入还促进了与碳水化合物、能量和脂类代谢相关的功能基因的表达，进一步提升了微生物的代谢能力。这些结果不仅为生物炭在生物修复中的应用提供了理论支持，也为城市河流污染治理提供了新的思路和方法。