近日，西安理工大学王辉、南华大学隆曦孜与杨飞教授和南开大学王鑫教授在环境领域著名学术期刊Journal of Cleaner Production上联合发表了题为“Extracellular Electron Transfer-Coupled Heavy Metal Reduction in Biogeobattery: Perspectives and Challenges”的综述论文。论文回顾了形成天然生物地球电池（Biogeobattery）的基本组成要素，深入探讨了Biogeobattery中胞外电子传递（EET）偶联重金属还原的进展，分析了贫营养条件下无机Fe/S/NH4作为电子供体驱动重金属还原的可行性，展望了利用半导体矿物和碳质导电材料构建导电网络强化Biogeobattery中的EET过程。为了进一步识别导电网络的形成，提出了利用组合高分辨率方法研究EET偶联重金属的还原。这为土壤生物电化学技术与理论应用于重金属污染修复提供了有力支撑。
第一作者：王辉，隆曦孜
通讯作者：隆曦孜，王鑫，杨飞
通讯单位：南华大学公共卫生学院，南开大学环境科学与工程学院
图片摘要
引言
采矿、冶炼及尾矿堆积等过程的土壤重金属残留导致的重金属污染问题引起了人们的广泛关注。但由于土壤基质本身属于非导体，受限于“水-气-固”三相造成的弱传质条件以及电极-微生物能量转化界面，使得生物电化学应用于土壤污染修复的效能有限。庆幸的是，研究人员发现自然界中存在天然电流的偶联，即通过微生物驱动电子流动，偶联“长距离（厘米）”、空间隔离的电子供体和电子受体之间的氧化还原反应，从而形成“天然生物地球电池（Biogeobattery）”。一些天然半导体矿物（如黄铁矿）具有还原性，电活性微生物（Electroactive bacteria，EAB）可以直接或间接利用其进行产电呼吸，促进重金属的微生物还原。因此，如何利用典型电活性微生物及导电物质作为电子传输介质并构建电子流动通道，实现电子的“长距离”传递，偶联电子供体-受体之间的氧化还原半反应，同时利用天然电流偶联的形成机制构建“土壤生物电池网络”并强化重金属还原起来显得尤为重要。这将为重金属污染土壤生物自净及原位生物自然修复提供理论支撑和技术支持。
图文导读
天然生物地球电池的发现与基本原理
图1：天然生物地球电池（Biogeobattery）的原理示意图。(A) 法国南部石油泄漏导致的生物地球电池自然电位异常。(B) 通过纳米导线和Fe2O3形成的长距离电子传递网络。
当土壤受到污染时，Biogeobattery的自然电位分布就会发生较大的变化，而这一电势差就会驱动电子流向土壤表面中的O2和NO3-等电子受体。因此，电活性微生物（EAB）产生的生物电流可以与氧化还原电势较高的重金属相互作用。为了更加深入理解Biogeobattery偶联重金属还原过程，我们将Biogeobattery解构为大量的土壤反应单元，这些反应单元即可以单独反应，也可以构建成电子传递网络进行重金属还原以实现重金属土壤污染修复。
天然生物地球电池中EET偶联重金属的还原
图2：天然生物地球电池（Biogeobattery）中EET偶联重金属还原的原理图。(A) Shewanella oneidensis MR-1和典型矿物中细胞素色C的能级图；(B) 胞外聚合物（EPS）、导电纳米线和天然导体交联形成天然生物地球电池（Biogeobattery）反应单元。
理论上，Biogeobattery的形成需要氧化还原界面、微生物氧化与电子供体的胞外电子传递、导电介质和电子受体的还原。因此，利用导电的EPS、纳米导线、导体矿物以及电缆细菌为空间隔离的电子供体和重金属之间的氧化还原反应提供电子流动通道并构建生物电子（电流）传递网络，此时就可以将“点对点（dot-dot）”的土壤修复模式拓展为细胞的“面对面（surface-surface）”模式，甚至是“微宇宙对微宇宙（microcosm-to-microcosm）”的三维修复模式。
无机电子供体与重金属还原
图3：典型铁、硫氧化菌中的Fe、S氧化途径。S(II)和Fe(II)的氧化、NAD+和MK的还原过程中的电子流动
重金属污染土壤中的有机电子供体缺乏，极大限制了EAB的典型EET过程及其介导的重金属还原。矿山土壤中富含Fe、S及其半导体矿物，会显著影响EET过程，因此基于这些无机电子供体的EET可以对重金属污染土壤进行修复。在自养条件下，FeS，H2S和S(0)可以作为电子供体，半导体矿物、e-pili以及细胞色素C这样的电子传递通道加速种间电子传递，在Thiobacillus spp.、Nitrosoarchaeum spp.、Ferrovibrio spp.等自养微生物的作用下还原高氧化还原电势的重金属。
构建电子传递网络，强化重金属还原去除
图4：4种联合措施强化EAB的EET偶联重金属还原的模式（异养与自养EAB的直接还原作用；异养与自养EAB的长距离间接还原作用）。
与生活在富含有机物条件下的EAB相比，自养EAB还原重金属的速度要慢得多。然而，电子向有机酸的二次转化仍将为EAB提供碳源以还原重金属。此外，导电矿物/纳米线的连接将提供额外的电子，构建电子传递网络，以提高细胞外电子摄取，以强化重金属还原去除，扩大修复区域的速率。
EET偶联重金属还原的高分辨率分析方法
图5：叉指电极（IDE）和纳米稳定同位素探针（nano-SIP）在天然生物地球电池（Biogeobattery）中的应用。(A) IDE在不同土壤层中的布置以及在细胞中的分布；(B) 电阻抗断层成像（EIT）电极的组成、排列和在土壤试验装置中的安装。
通过检测土壤中EET分布以强化Biogeobattery的构建仍具有挑战性。因此，需要通过构建高分辨率的新方法/平台。具有微米级间隙的叉指电极（IDE）可用准确的掌握EET强度的空间变化，同时结合高精度质谱分析及微区重金属价态变化，有望综合剖析Biogeobattery内的空间异质性并提高其性能。同时，由于Biogeobattery内在的电化学活性可能会引起不同土壤区域电阻率的差异，未来也可以利用电阻抗断层扫描（EIT）技术，通过从描述电阻率三维成像中产生不同的空间模式，来表征Biogeobattery内部EET。
小结
本文提出了一种以天然生物地球电池（Biogeobattery）形式强化土壤重金属还原的策略，而这一策略的关键在于构建严格的形成条件与长距离的胞外电子传递。鉴于此，在以导电生物炭、半导体矿物的基础上驯化土壤中铁硫自养EAB，优化Geobacter spp.和Shewanella spp.的培养条件，上调EAB导电纳米线、细胞外膜延伸和导电囊泡的表达，从而提高重金属的还原效率。另外，我们还应该关注EAB次级矿物的产生特征及其对Biogeobattery的积极作用。本文为生物电化学技术在土壤重金属污染修复中的应用提供了新思考。
本项目得到了国家自然科学基金委和湖南省自然科学基金委的资助。
转自：https://mp.weixin.qq.com/s/YWFGTM3XSFwvB3M_PpZmhg
