生物炭介导的电子跳跃机制促进乙酸氧化产甲烷的 syntrophic 代谢途径解析

针对厌氧消化(AD)中乙酸氧化产甲烷(SAO-HM)途径效率低下的问题，研究人员通过电化学分析和分子动力学模拟，揭示了生物炭通过缩短分子氧化还原单元距离(从13.37降至10.52 nm)、促进细胞色素c (Cytc)和核黄素的电子跳跃行为，从而增强直接种间电子转移(DIET)的分子机制。800°C制备的生物炭因其高异质电子转移速率常数(k0 )展现出最优性能，为生物能源转化提供了理论依据。

　　

在追求碳中和目标的背景下，有机废弃物厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD)的能源回收技术面临关键挑战：当环境胁迫导致乙酸裂解产甲烷(Aceticlastic Methanogenesis, AM)途径向低效的乙酸氧化产甲烷(Syntrophic Acetate Oxidation, SAO)耦合氢营养型产甲烷(Hydrogenotrophic Methanogenesis, HM)途径转变时，系统能量转化效率显著降低。这一过程的核心瓶颈在于SAO-HM途径中热力学不利的乙酸氧化反应(ΔG°′ = +95 kJ/mol)，其效率高度依赖种间电子传递效率。尽管生物炭(Biochar)已被证实可通过促进直接种间电子转移(Direct Interspecies Electron Transfer, DIET)改善该过程，但微观界面电子传递机制仍不明确，严重制约了其工程化应用。

针对这一科学难题，中国国家自然科学基金资助项目团队在《Waste Management》发表研究，创新性地从电子跳跃(Electron Hopping)理论视角揭示了生物炭增强SAO-HM途径的分子机制。通过构建80天半连续厌氧消化实验体系，结合电化学工作站分析、显微拉曼光谱和分子动力学模拟等前沿技术，研究人员首次证实：附着在生物炭表面的微生物群落可通过胞外聚合物中的细胞色素c
(Cytochrome c
, Cytc)和核黄素形成电子跳跃通道，使氧化还原单元最小间距从13.37 nm缩短至10.52 nm；同时生物炭作为电子受体通过电子隧穿效应进一步促进该过程。特别值得注意的是，800°C热解制备的生物炭因其高异质电子转移速率常数(Heterogeneous Electron Transfer Rate Constant, k⁰
)和优越的导电碳基质，展现出最强的电子跳跃增强效果。

关键实验技术
研究采用80天半连续厌氧反应器培养富集SAO功能微生物（样本来源未注明），通过电化学循环伏安法测定电子转移参数，结合显微拉曼光谱定位胞外聚合物中的Cytc和核黄素分布，利用分子动力学模拟计算氧化还原单元间距变化，并采用同位素示踪验证代谢途径贡献率。

研究结果解析

探索HA胁迫下的产甲烷途径及生物炭抗胁迫机制
通过对比含腐殖酸(Humic Acid, HA)的R1反应器与添加生物炭的R2反应器发现，HA胁迫导致AM途径完全转向SAO-HM，甲烷产量降至对照组63%；而生物炭使产量恢复至91%。电化学分析显示R2的电荷转移电阻降低47%，证实其显著改善电子传递效率。

生物炭是否通过电子跳跃促进SAO-HM途径转换
拉曼光谱在生物炭-微生物界面检测到Cytc特征峰(750 cm^-1
)和核黄素信号(1340 cm^-1
)，分子动力学模拟显示这些氧化还原介质的平均间距从13.37±1.2 nm缩短至10.52±0.8 nm，符合电子跳跃理论中的临界距离要求。理论计算表明该距离缩短使电子转移速率提升3.2倍。

结论与意义
该研究首次从量子尺度阐明了生物炭通过调控分子氧化还原单元间距增强电子跳跃的机制：一方面缩短Cytc/核黄素介导的跳跃步长，另一方面作为电子隧穿介质构建混合传递网络。800°C生物炭因形成高度石墨化碳结构，其k⁰
值达低温生物炭的2.7倍，这为定向设计高性能生物炭提供了关键参数。该发现不仅解决了SAO-HM途径效率低下的理论难题，更为开发基于电子跳跃调控的废弃物能源化技术开辟了新思路。