热解温度调控生物炭电子介导机制促进微生物还原富铁蒙脱石的研究

本文揭示了小麦秸秆生物炭（BC）热解温度（300-600°C）通过调控醌基团密度和导电性，影响异化铁还原菌（DIRB）Shewanella oneidensis MR-1对蒙脱石（NAu-2）结构Fe(III)的还原效率。低温BC300因高醌基含量显著提升初始还原速率，而高温BC600的高芳香性促进矿物结构向三八面体转变，为土壤铁循环（Fe redox）和生物炭农业应用提供理论依据。

　　

Highlight

热解温度依赖的生物炭电子介导机制：微生物还原富铁蒙脱石的关键

Biochar characterization

生物炭产率随热解温度升高从61.57%（BC300）递减至44.84%（BC600）。元素分析显示其主要由C、H、O组成，H/C和O/C比降低表明高温生物炭芳香性增强（表1）。电导率测试证实BC600导电性比BC300高2个数量级，而电子顺磁共振（EPR）显示低温生物醌基信号强度高出47%。

The impact of pyrolysis temperature

热解温度通过双重路径影响生物炭性能：（1）300°C时保留大量羧基和酚羟基，醌基含量达12.3 μmol/g；（2）600°C时形成扩展π共轭体系，电导率提升至1.2×10^-2 S/cm。有趣的是，虽然BC600导电性优异，但BC300在微生物还原实验中表现更佳——其醌基就像"分子摆渡车"，将Shewanella的电子高效传递给蒙脱石层间Fe(III)。

Conclusions

本研究首次揭示：低温生物炭（BC300）表面醌基团是驱动NAu-2微生物还原的"电子快车"，而高温生物炭（BC600）则更像"导电高速公路"，促进矿物结构重组为三八面体型。这些发现为设计农业用功能化生物炭提供了精准调控策略。