Exploring the extracellular electron transfer potential of biochar with soil microbes

探索生物炭與土壤微生物的胞外電子轉移潛力

來源: Microbial Diversity Course, Marine Biological Laboratory, Summer 2017

《海洋生物實驗室微生物多樣性課程》，2017年夏季

 

摘要

論文摘要指出生物炭作為農業土壤改良劑可提高作物產量和土壤健康，其可能功能是作為胞外電子轉移介質，將微生物代謝與遠端電子受體還原耦合。本研究旨在富集能夠將電子轉移至生物炭的土壤細菌，并檢測生物炭改良土壤中的氧氣剖面差異。使用乙酸作為微生物燃料電池中的電子源，富集到一種目前未鑒定的細菌，但富集培養物未產生強電流。在使用琥珀酸鹽作為電子源的微生物燃料電池中，發現可能細菌來源的球形結構高度富集在生物炭上。在添加琥珀酸鹽或乙酸作為電子源的改良土壤中，未測量到生物炭引起的氧氣剖面差異。雖然這是初步研究，但需要更全面實驗來確認和描述生物炭與土壤微生物的胞外電子轉移能力。

 

研究目的

研究目的是檢驗生物炭作為土壤中電子導體的作用，通過微生物燃料電池和微觀實驗方法富集能夠使用生物炭作為唯一電子受體的微生物，并測量生物炭改良土壤中主要環境電子受體氧氣的剖面。

 

研究思路

研究采用雙管齊下的方法：一方面構建微生物燃料電池，使用生物炭作為陽極，以琥珀酸鹽或乙酸為電子源，富集土壤中能利用生物炭進行胞外電子轉移的微生物；另一方面建立土壤微觀實驗，添加不同生物炭和電子源，使用微電極測量氧氣剖面。通過電化學測量、顯微鏡觀察和化學分析綜合評價生物炭的電子轉移潛力。

 

測量的數據及研究意義

1 電流輸出和循環伏安法數據來自文本描述和圖2，研究意義是評估生物炭作為微生物燃料電池陽極的性能，顯示生物炭陽極產生略高恒定電流（4.71-6.25μA），循環伏安圖變化表明陽極修飾可能改變電子轉移動力學。

 

2 掃描電鏡圖像數據來自圖3、4，研究意義是觀察生物炭和電極表面的微生物定殖情況，發現可能細菌來源的纖維狀球形結構（圖3a-c）和多種形態細菌（圖3d-i），以及乙酸MFC中形成的白色絮狀細菌聚集體（圖4）。

 

 

 

3 熒光原位雜交數據來自圖5，研究意義是嘗試鑒定富集細菌的分類位置，陰性結果表明富集細菌不屬于已知具有胞外電子轉移能力的γ-或δ-變形菌門。

 

4 氧氣剖面測量數據來自圖6、7，研究意義是評估生物炭對土壤中氧氣分布的影響，結果顯示生物炭本身未引起氧氣剖面顯著變化，但乙酸添加增加了氧氣梯度斜率，反映微生物代謝活性。

 

 

5 HPLC乙酸濃度數據來自文本描述，研究意義是量化微生物對電子源的利用程度，顯示微觀實驗中乙酸濃度變化與微生物消耗一致。

 

結論

生物炭具有作為土壤微生物電子導體的潛力，但其在真實土壤環境中的胞外電子轉移作用尚未明確證實。研究發現生物炭陽極可支持某些未鑒定細菌的富集，并改變電子轉移動力學，但未產生強電流。生物炭改良對土壤氧氣分布無顯著影響，而電子源添加會改變微生物活性和氧氣消耗。需要進一步研究生物炭在土壤中的實際電子傳導機制。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense OX-N針式氧傳感器測量土壤微觀實驗中氧氣剖面，以100μm步長精度解析首厘米土壤的氧氣梯度。研究意義在于直接量化生物炭添加對土壤微環境氧化還原條件的影響，驗證生物炭是否通過影響氧氣分布間接促進胞外電子轉移。結果顯示生物炭本身未顯著改變氧氣剖面，但乙酸添加引起的微生物代謝增強確實增加了氧氣消耗梯度，表明該方法能有效監測土壤微生物活動與電子轉移的耦合關系。這種高分辨率氧測量為評估生物炭在土壤生物地球化學循環中的作用提供了關鍵方法學支持。