生物炭-铁复合材料协同增强己酸生产：微生物群落调控与直接电子传递的机制解析

本研究创新性地采用生物炭负载零价铁(BC@Fe)复合材料，通过物理稳定Fe0颗粒、优化pH(6.3-6.65)和富集电活性菌群（如Eubacterium aggregans），在三种电子受体系统中实现最高己酸产量(12.72 g·L-1)。研究首次揭示BC@Fe通过上调反向β-氧化途径酶和促进直接种间电子传递(DIET)的协同机制，为有机废弃物资源化提供新策略。

　　

亮点
生物炭负载零价铁(BC@Fe)复合材料在三种电子受体（乙酸/丁酸/混合体系）中均展现出卓越的碳链延长(CCE)促进效果，其己酸产量(11.02-12.72 g·L^-1)显著优于单独使用生物炭(BC)或零价铁(Fe⁰)。

材料表征
通过显微镜和扫描电镜(SEM)观察发现（图1a-f），Fe⁰颗粒成功锚定在生物炭表面或孔隙中，有效防止了铁颗粒的团聚现象。BC作为"纳米反应器"不仅提供了巨大的比表面积(1454.89 m²·g^-1)，还维持了反应体系的理想pH环境。

微生物机制
宏基因组分析显示，BC@Fe特异性富集了具有电活性的己酸生产菌（如Eubacterium aggregans和Rummeliibacillus suwonensis），并显著提升了导电菌毛和c型细胞色素介导的直接种间电子传递(DIET)效率。

代谢通路
关键协同机制包括：①物理稳定Fe⁰纳米颗粒；②微生物群落重构；③反向β-氧化途径关键酶（如酰基-CoA脱氢酶）的上调表达。这种"材料-微生物"协同作用使碳转化效率提升至80.45%。

结论
BC@Fe在三种电子受体系统中均实现了最高且最稳定的己酸产量（乙酸体系达12.72 g·L^-1）。其广谱适用性源于独特的双重调控机制：既作为电子高速公路促进DIET，又通过代谢工程优化碳流向。该研究为规模化生物炼制提供了创新解决方案。