探索生物炭电子结构特性在促进氨生物降解中的作用机制

《Bioresource Technology》：Exploring the mechanism of electronic structure characteristics of biochar for enhancing ammonia biodegradation

　　

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  为了提高氨的转化效率，对π-π*和σ-σ*相互作用进行了调控。
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  比较了不同生物炭的吸附能力和生物相容性。
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  使用KOH-PC处理后，氨的总氮（TN）去除效率达到了77.6%。
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  通过密度泛函理论（DFT）和掩蔽剂实验研究了生物降解机制。

引言

氨是农业径流、工业废水和生活污水中的典型污染物（Huang等人，2026年）。它造成的污染已成为全球性问题，对人类生命构成了严重威胁（Wen等人，2026年）。氨的污染可以通过多种方法进行修复，例如电氧化、离子交换、光催化和折点氯化（Lazuli等人，2026年；Wei等人，2026年）。然而，大量研究表明，这些技术存在成本高和可能产生二次污染的缺点，这限制了它们的广泛应用（Lian等人，2026年）。

生物技术，特别是在硝化和反硝化过程中，由于其成本效益高、反应温和且与环境相容性好等优点，已成为氨降解的合适替代方案（Nie等人，2026年；Zhang等人，2022年）。许多研究者指出，与传统物理化学方法相比，生物方法可以通过微生物的代谢活动将氨转化为氮气（N₂），这种方法对环境更加友好（Li等人，2024年）。然而，在氨的生物降解过程中，由于传质和/或电子转移的限制，容易出现中间产物积累（如硝酸盐和N₂O）以及总氮（TN）去除效率低的问题（Jin等人，2026年；Sun等人，2026b）。为了解决这些问题，目前的研究重点在于筛选和改造功能菌株、设计反应器或生物膜载体、调节参数以及与其他技术的结合（Shrivasanthan等人，2026年；Xiang等人，2021年）。例如，Zhang和他的同事筛选出了用于氨生物降解的Klebsiella pneumoniae TN-1菌株；实验结果表明，在初始浓度为300 mg/L的情况下，该菌株在7天内能有效去除83.3%的氨（Zhang等人，2021年）。Yao等人（2026年）制备了一种含有可控氧功能团的生物炭填料，用于N、N-二甲基乙酰胺（DMAC）和氨的生物降解。通过增加羧基含量进行优化后，电子转移过程明显得到增强，DMAC的去除效率达到了94.7%，而氨几乎完全被去除。如今，利用生物炭材料来增强微生物活性受到了广泛关注（Sun等人，2018年；Tan等人，2026年）。据报道（Deng等人，2021年；Li等人，2026年），改变生物炭表面的物理化学性质可能会影响生物炭与微生物共存体系中的微生物的代谢特性和底物利用效率。例如，Liao等人（2021年）研究了生物炭比表面积对硝化和反硝化的影响。结果表明，比表面积的增加有利于生物炭与微生物之间的接触，并通过上调反硝化基因的丰度减少了N₂O的排放，从而提高了电子转移性能。此外，生物炭的亲水性和功能团已被证明可以通过改变细胞色素c的合成和细胞外聚合物物质（EPS）的分泌来改善细胞外电子转移过程，最终实现高效污染物降解（Han等人，2025年；Li等人，2025b）。最近的一些研究表明，生物炭表面的电子结构特性（如表面状态、电荷分布、π-π*和σ-σ*相互作用）可能是影响硝化/反硝化性能的关键因素（Hu等人，2025年；Minofar等人，2025年）。然而，生物炭的电子结构特性如何影响氮转化途径、电子转移特性及其与细菌代谢的关联仍不确定。因此，需要进一步的研究来阐明电子结构特性对氨生物降解的机制。

本研究旨在通过阐明生物炭电子结构特性对氨生物降解机制的调控作用，来增强氨向氮气（N₂）的转化。为此，制备并改造了四种具有不同π-π*和σ-σ*相互作用强度的生物炭。然后研究了不同生物炭对氨的吸附特性和微生物生长的影响，以探讨它们在提高传质效率和生物相容性方面的能力。随后，比较了不同生物炭在氨生物降解性能、中间产物分布和总氮去除方面的差异。此外，通过密度泛函理论的计算、掩蔽剂实验以及电子转移特性的测定，揭示了转化机制。

章节摘录

不同生物炭的制备

所使用的生物炭来自收集自浙江省嘉兴市的Pinus massoniana松果，这是一种常见的农业和林业废弃物。详细的制备方法如下：首先将松果分解成鳞片，进行四次超声波清洗，然后在80 ℃下干燥。接着使用研磨机将其粉碎成粉末，并在空气气氛下用马弗炉进行煅烧。煅烧温度设定为500 ℃

生物炭的特性

使用扫描电子显微镜（SEM）研究了制备的生物炭的形态特性。如图1所示，PC生物炭表面粗糙，具有致密、分层且不均匀的质地，没有明显的孔结构。KOH-PC生物炭具有层次状的多孔结构，包含较大尺寸的不规则大孔和分布在孔壁上的众多亚微米级小孔，属于大孔和中孔共存的多孔形态。

结论

本研究探讨了π-π*和σ-σ*相互作用对氨生物降解的影响。制备了四种不同π-π*和σ-σ*相互作用强度的生物炭，即PC、KOH-PC、H₂O₂-PC和KOH-H₂O₂-PC。通过氨吸附实验和OD₆₀₀变化实验，表明π-π*和σ-σ*相互作用的强度与吸附性能和微生物生长呈正相关。

CRediT作者贡献声明

Jiachao Yao：撰写、审稿和编辑；Yiting Ma：数据可视化；Yuxin Zhou：数据管理；Yikai Chen：可视化；Fan Tang：概念设计；Weidong Li：指导；Shengjie Xia：指导；Jun Chen：撰写、审稿和项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了浙江省自然科学基金（LTGS24B070006）、国家重点研发计划（2024YFE0108600）和国家自然科学基金（42177115）的资助。

Jiachao Yao|Yiting Ma|Yuxin Zhou|Yikai Chen|Fan Tang|Weidong Li|Shengjie Xia|Jun Chen