生物炭介导的"接触-转移"与直接电子传递自适应路径促进蓝铁矿磷回收机制研究

本研究针对微生物胞外电子传递(EET)驱动的磷回收效率瓶颈，通过解析生物炭在异化铁还原菌(DIRB)介导的蓝铁矿(vivianite)形成中的双重作用机制，发现其表面醌基(C=O)通过可逆氧化还原实现"接触-转移"(touch-go)电子传递，而高温热解形成的芳香碳基质则构建直接电子传递网络，使铁还原速率提升107%，蓝铁矿产率提高105%，为废水磷资源化提供了新型电子传递调控策略。

　　

磷作为不可再生资源面临全球性短缺，而废水中的磷流失又导致水体富营养化。微生物介导的蓝铁矿(Fe₃
(PO₄
)₂
·8H₂
O)形成被认为是极具潜力的磷回收途径，其核心机制——异化铁还原(DIR)过程受限于微生物胞外电子传递(EET)效率。传统EET途径包括依赖c型细胞色素的直接传递和依赖电子穿梭体的"接触-转移"(touch-go)间接传递，但如何调控这两条路径仍缺乏定量研究。

天津大学的研究团队在《Water Research X》发表论文，创新性地利用生物炭(biochar)作为电子传递中继站，系统解析了其表面官能团与碳基质对EET路径的调控机制。研究发现：当生物炭热解温度从300℃升至900℃时，电子传递主导路径会从醌基(C=O)介导的"接触-转移"（贡献率66%）自适应转变为芳香碳网络主导的直接传递（贡献率52%）；稳定的羟基(O-H)电子供体贡献14%-19%的还原能力；在最优条件下可使铁还原速率提升107%，蓝铁矿产率提高105%。

研究采用电子交换容量(EEC)测定、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱等技术表征生物炭的氧化还原特性，通过介导电化学还原/氧化(MER/MEO)定量电子接受容量(EAC)和电子供给容量(EDC)。微生物群落分析采用Illumina MiSeq测序平台，铁/磷形态通过分光光度法和X射线衍射(XRD)鉴定。

生物炭增强铁还原和蓝铁矿形成
在污水处理实验中，添加生物炭使Fe(III)还原速率从0.29 mM·day^-1
提升至1.09 mM·day^-1
，蓝铁矿回收效率(E_V
)从32%增至59%。纯培养实验显示Geobacter sulfurreducens PCA在生物炭存在时，铁还原效率(E_Fe
)从44%跃升至91%，蛋白含量增长85%，证实生物炭同时促进DIRB富集和代谢活性。

生物炭作为电子传递中继站建立新氧化还原平衡
剂量实验表明10 g·L^-1
为最佳添加量，此时生物炭通过负电性表面(-19.67 mV)优先吸附Fe³⁺
，并克服静电排斥为微生物提供附着位点。扫描电镜(SEM)显示蓝铁矿晶体紧密嵌合在生物炭表面，形成空间耦合的电子传递微环境。

醌C=O和O-H通过"接触-转移"路径和电子供体作用促进EET
FTIR证实1614 cm^-1
处的醌C=O振动峰在反应后增强，表明其作为电子穿梭体发生可逆氧化还原；而3423 cm^-1
的O-H峰减弱，说明其作为稳定电子供体直接还原Fe³⁺
。选择性掩蔽实验显示，H₂
O₂
氧化使EAC降低50%，导致蓝铁矿产量下降24%。

热解温度驱动的EET路径自适应调控
300-600℃制备的生物炭主要依赖醌C=O的"接触-转移"路径（贡献率47%-66%），而900℃生物炭因石墨化程度提高（I_D
/I_G
从0.92降至0.72），直接电子传递贡献率达52%。导电性与最大还原速率呈显著正相关(R²
=0.84)。

该研究首次定量解析了生物炭介导的多路径EET协同机制，提出通过调控热解温度可定向设计电子传递材料。在环境应用层面，生物炭构建的"微生物-碳材料-矿物"电子网络突破了传统DIR的空间限制，为废水磷回收提供了兼具高效性和经济性的解决方案。在理论层面，揭示的醌基/碳基质自适应转化规律，为理解自然界的铁磷耦合循环提供了新的视角。