生物炭通过铁还原耦合铵氧化促进厌氧土壤氮素流失的机制研究

为解决农业氮素流失与环境污染问题，研究人员探讨了不同热解温度生物炭（BC3/BC6）对厌氧土壤中Feammox（铁还原耦合铵氧化）过程的调控机制。研究发现，600°C热解生物炭通过醌基介导的电子传递显著提升Feammox速率（0.03–0.07 μg N g?1 d?1），并促进功能菌（Acidimicrobiaceae bacterium A6）增殖，为农业氮素绿色去除提供新思路。

　　

氮素是农业生产的关键元素，但过量施用氮肥导致的环境问题日益严峻，包括温室气体排放和水体富营养化。传统认知中，反硝化作用（denitrification）和厌氧氨氧化（anammox）是土壤氮素流失的主要途径，而近年来发现的铁还原耦合铵氧化（Feammox）过程为氮循环提供了新视角。然而，Feammox的驱动机制尚不明确，尤其在电子传递与微生物互作方面存在知识空白。与此同时，生物炭（biochar）作为土壤改良剂被广泛应用，但其对Feammox的影响因热解温度差异而缺乏系统研究。

针对这一科学问题，中国的研究团队在《Geoderma》发表论文，通过¹⁵N同位素示踪技术，结合铁氧化物（水铁矿/针铁矿）和不同热解温度生物炭（300°C的BC3与600°C的BC6）的调控实验，揭示了生物炭促进Feammox的电子传递与微生物协同机制。研究采用的关键技术包括：1）厌氧土壤微宇宙培养系统维持缺氧条件；2）傅里叶变换红外光谱（FT-IR）检测生物炭醌基（C=O）含量；3）实时定量PCR（qPCR）分析功能基因（如Acidimicrobiaceae bacterium A6）；4）冗余分析（RDA）解析微生物群落与环境因子的关联。

3.1 生物炭添加对Feammox反应速率的影响
研究发现，600°C热解生物炭（BC6）使Feammox速率提升27–50%，而300°C生物炭（BC3）无显著效果。水铁矿（ferrihydrite）因高反应性使Feammox速率（0.29 μg N g^?1 d^?1）显著高于针铁矿（goethite）。

3.2 生物炭对铁还原的增强作用
BC6处理的Fe(II)生成速率提高17–46%，且Feammox速率与铁还原速率显著正相关（R²=0.83），证实电子传递是核心机制。

3.3 Feammox相关微生物的变化
BC6和BC3均显著增加Acidimicrobiaceae bacterium A6的丰度（最高22.6%），但仅BC6通过醌基（C=O含量增加8.6%）直接促进电子传递。

3.4 生物炭电子传递特性的检测
FT-IR显示BC6在1630 cm^?1处醌基峰更强，印证其电子穿梭能力。

讨论与意义
该研究首次阐明高温热解生物炭通过双重机制调控Feammox：1）醌基介导的电子传递直接加速反应；2）孔隙结构支持功能菌定殖。这一发现为农业氮素管理提供新策略——高温生物炭可定向促进环境友好型氮气（N₂）排放，同时减少N₂O等温室气体产生。研究还指出，中国每年1.45亿吨生物质资源若定向转化为高温生物炭，可协同实现土壤改良与氮污染控制。未来需结合田间试验验证该技术的实际可行性，并优化生物炭热解工艺以平衡成本与效益。