《Journal of Hazardous Materials》：Enhanced bacterial capture in hematite-modified biochar amended coral sand filters: Lab-scale validation and DFT mechanisms
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珊瑚砂土壤污染通过血红石改性生物炭（HBC）滤料实现高效病原微生物固定，2% HBC使大肠杆菌和枯草芽孢杆菌去除率达99%以上，机理涉及DLVO理论表面电荷中和及Fe-O-P化学吸附，DFT计算验证血红石原子级吸附作用，数学模型证实长效吸附，且HBC在腐殖酸和复杂水质干扰下仍保持98%以上效率，为热带岛屿饮用水安全提供低成本解决方案。
Jialiang Liang|Guang Chen|Jingyao Luo|Pengfei Gan|Yunyi Li|Zhiwei Zhao|Meiping Tong
教育部三峡库区生态环境重点实验室，重庆大学，重庆400045，中国
摘要
热带珊瑚岛土壤具有高孔隙率和低保水能力，这使得病原体能够迅速渗入作为岛民主要饮用水来源的脆弱淡水层中，通过地下水污染带来严重的公共卫生风险。为了解决这一关键问题，我们研发了一种经过赤铁矿改性的生物炭（HBC），用于增强珊瑚沙过滤效果。仅添加2%的HBC就实现了对大肠杆菌（E. coli）和枯草芽孢杆菌（B. subtilis）超过99%的细菌截留率，远优于未经处理的珊瑚沙的11.6%的截留率。从机制上讲，HBC通过表面电荷中和作用减少了静电排斥（这一过程由Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论量化），使相互作用能量从388 kT的排斥转变为净吸引力；密度泛函理论（DFT）计算显示，赤铁矿通过稳定的Fe-O-P配位键与细菌细胞外成分发生化学吸附，其吸附能量达到-4.97 eV。利用HYDRUS-1D的一维动力学模型证实，在连续流动条件下这种吸附是不可逆的。此外，HBC在 humic acid 干扰、多种实际水样以及高达10^7个细胞/毫升的高细菌负荷下仍能保持98%以上的截留效率，证明了该改良过滤系统在保护岛屿淡水资源免受病原体污染方面的有效性。
引言
热带珊瑚岛土壤主要由碳酸盐矿物组成，包括珊瑚碎片。其高孔隙率（40–60%）和松散的结构导致保水能力差，水力传导性也远高于大陆土壤[1]。这使得降雨或再生水灌溉时病原体能够快速渗入土壤[2]。由于珊瑚岛上淡水资源稀缺（地下水占居民饮用水的约60%[3]），病原体的渗出不仅会破坏土壤生态系统的稳定性，还会通过地下水污染增加饮用水系统中的病原体暴露风险，从而对公共卫生构成严重威胁。
尽管传统的水处理技术如吸附[4]、膜生物反应器[5]和高级氧化[6]可以有效控制病原体，但它们通常能耗高、操作复杂、需要添加化学药剂且维护要求严格，因此在基础设施薄弱、能源供应有限和专业人员短缺的偏远岛屿和珊瑚礁地区难以应用。沙滤技术因其操作简单和成本低廉而成为最可行且广泛使用的水处理方法[7]。珊瑚沙因其多孔结构及本地可获取性而具有作为过滤介质的潜力。然而，传统沙滤在去除微生物方面的效果有限[8],[9]，因此需要对其进行改性以提高性能。早期关于多孔介质中细菌截留的研究主要集中在直接修改介质本身，例如通过涂覆金属来增加细菌吸附位点[10]。虽然这些方法显著提高了细菌吸附能力，但由于成本高昂，其应用主要限于传统水处理系统。后续研究表明，将吸附剂（如生物炭（BC）加入多孔介质中可以有效提高细菌截留率[11],[12],[13]。例如，将BC加入沙土中可以提高微生物截留能力[14]。为了进一步优化截留性能，研究人员开发了多种改良形式的BC。Lau等人通过硫酸改性显著增加了BC的比表面积，实现了对雨水中的大肠杆菌超过90%的截留率[15]；Zhang等人使用精氨酸改性的BC提高了细菌吸附能力[16]；Wang等人构建了一种零价铁-BC双层系统，通过诱导氧化应激同时实现细菌的截留和灭活[17]。然而，对于珊瑚沙土壤中的微生物，我们需要在保持其活性的同时实现有效截留。此外，热带珊瑚岛上的固体废弃物（如玉米秸秆[18]）含有丰富的可转化资源，因此截留策略必须能够在保持微生物活性的同时实现有效的固定。将这些生物成分与易获得的腐蚀金属（如赤铁矿）结合使用，为开发用于珊瑚沙土壤中细菌捕获的功能性材料提供了创新途径。虽然赤铁矿改性生物炭（HBC）在水环境中已被广泛用于重金属去除[19],[20],[21]，但其在微生物截留方面的性能尚未得到系统研究。由于大多数微生物表面带负电荷，HBC有望通过静电吸附增强其在珊瑚沙介质中的沉积，显示出重要的研究价值和应用潜力。
本研究以大肠杆菌（革兰氏阴性）和枯草芽孢杆菌（革兰氏阳性）作为模型细菌。通过柱实验和模型模拟评估了离子强度、粒径和流速对细菌传输的影响，并评估了BC和HBC的细菌截留效果。使用Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论和密度泛函理论（DFT）研究了基本的截留机制。此外，还研究了HBC对截留细菌代谢活性的影响。
细菌制备与表征
大肠杆菌和枯草芽孢杆菌在Luria Broth（LB）培养基中培养，大肠杆菌在37℃下培养20小时，枯草芽孢杆菌在30℃下培养28小时，培养过程中均以180 rpm的速度进行摇摆。在传输实验前，将细菌悬浮液调整至1.25 × 10^7 ± 15% 细胞/mL的浓度，所用盐溶液与实验条件相匹配。关于细胞培养和收获的更多细节见Text S1。
BC和HBC的表征
如图1a和图S4a所示，BC呈现出光滑的片状形态，而HBC表面则含有微米级的颗粒。EDS元素分析（图1b和图S4b）显示这些表面颗粒主要由Fe和O组成，证实了氧化铁在生物炭基质上的均匀负载。XRD图谱（图1c）进一步证明HBC在2θ = 24.1°（012）、33.1°（104）、35.5°（110）处显示出典型的赤铁矿衍射峰。
结论
结果表明，细菌的传输和沉积受到离子强度、粒径和流速的协同影响，总体沉积量较低。珊瑚沙本身的低吸附能力使其不适合作为细菌截留的过滤介质。加入HBC作为过滤层后，通过降低局部孔隙率、减弱表面负电荷以及实现特定键合，显著提高了珊瑚沙中的细菌截留效果。
环境影响
热带岛屿的珊瑚沙使病原体渗入脆弱的地下水中，危及依赖这些含水层获取60%饮用水的居民。我们开发的赤铁矿改性生物炭（HBC）能截留超过99%的细菌，效果是未经处理沙子的7.5倍，从而在源头阻止了污染。HBC还能促进有益生物膜的形成（例如增加50.3%的细胞外蛋白质），稳定土壤，并将当地废弃物（污泥、椰壳）转化为功能性材料。这种双重解决方案（预防+）
CRediT作者贡献声明
Pengfei Gan：方法学研究。
Yunyi Li：撰写、审稿与编辑、监督。
Zhiwei Zhao：撰写、审稿与编辑、资源获取、资金申请。
Meiping Tong：验证。
Jialiang Liang：撰写、初稿撰写、方法学研究。
Guang Chen：实验研究、数据分析。
Jingyao Luo：实验研究。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号42025706）的支持。
