生物驱动铁键重构增强生物铁系统中电子传递促进中链脂肪酸合成

针对中链脂肪酸(MCFAs)生物合成中电子传递效率低的关键瓶颈，研究人员通过构建生物铁系统，揭示了Fe3O4作为高效电子穿梭体的核心作用。研究发现微生物可诱导Fe(II)-O-Fe(III)键重构，通过马库斯理论证实铁键缩短降低重组能、铁键延伸扩展电子传递网络，为生物启发材料设计提供了原子级理论依据。

　　

在追求可持续能源的浪潮中，中链脂肪酸(MCFAs)因其高能量密度和燃料特性成为生物炼制领域的新宠。然而传统生物合成方法常受限于电子传递效率的桎梏，就像高速公路上频频出现的交通堵塞，严重制约着碳资源的转化效率。这一瓶颈背后，是人们对生物铁系统中铁基电子穿梭体动态演变机制的认知迷雾——究竟哪些铁物种能成为高效的"电子快递员"？它们如何在微生物的调教下完成结构进化？

来自广东的研究团队在《Water Research》发表的研究揭开了这一谜题。通过构建包含FeCO₃、铁粉(IP)、Fe₂O₃和Fe₃O₄的生物铁系统，结合废弃物活性污泥(WAS)和合成废水模型，团队采用X射线吸收精细结构(XAFS)解析原子配位环境，引入马库斯理论阐释电子传递动力学，并建立偏最小二乘回归(PLSR)模型筛选关键结构参数。

Source of biomass and iron chemicals
研究以广东中山污水处理厂的废弃活性污泥为原料，通过对比四种铁化合物在酸性发酵环境中的表现，发现Fe₃O₄组展现出最优的电子传递性能。

Effects of iron species on the MCFAs production
实验证实Fe₃O₄可使MCFAs产量提升2.1倍，而微生物能将IP和Fe₂O₃部分转化为具有Fe(II)-O-Fe(III)混合价态的Fe₃O₄，这种转化与电子传递能力呈正相关。

Mechanism of the bio-iron system
XAFS分析揭示微生物通过缩短Fe-O键(降低重组能λ)和延伸Fe-Fe键(扩展电子云重叠)，构建出三维电子高速公路。PLSR模型锁定Fe(III)-O-Fe(II)结构为决定性特征，其电子离域能力显著提升电荷转移效率。

这项研究首次在原子尺度描绘了微生物"锻造"铁基电子穿梭体的全过程，为生物电化学系统优化提供了理论蓝图。通过揭示铁键动态重构与电子传递的量子力学关联，不仅解决了MCFAs合成的效率瓶颈，更开辟了仿生材料设计的新思路——未来或可人工模拟这种生物介导的晶体工程策略，开发新一代环境友好型电子媒介体。正如研究者所言，大自然早已写就最精妙的材料教科书，我们只需学会解读它的语言。