生物炭辅助的交流电-微生物联合修复石油污染土壤技术：通过胞外聚合物物质介导的电子转移途径

《Journal of Hazardous Materials》：Biochar-enhanced alternating current-microbial remediation of petroleum-contaminated soil: extracellular polymeric substances-mediated electron transfer pathway

石油烃污染土壤的生物电化学修复系统通过整合活性污泥衍生生物炭（BC）优化材料性能，BC800因发达孔隙网络（EAC=2.6 mmol e? g?1）、高电导率和增强的电子传递能力，在27天内实现83.4%的石油烃去除率，其结构-电化学特性调控微生物群落协作与胞外聚合物富集，形成高效协同降解机制。

　　

周双|何欢|黄颖|杨晓霞|顾文倩|Al-Anazi Abdulaziz|黄斌|潘学军

中国云南省昆明市昆明科技大学环境科学与工程学院，邮编650500

摘要

生物电化学修复系统已成为处理受石油烃（PH）污染土壤的一种有前景的方法，但其处理效率往往受到界面电子传递效率低下和微生物栖息地不足的限制。本研究通过改变热解温度（400/600/800°C）和后续处理方式（HNO₃、KBH₄、液氮），对活性污泥衍生的生物炭（BC）进行了改性，并将其整合到交流电辅助的微生物系统中（BEM），以提高PH的去除效果。BC800具有更发达的孔隙结构、更高的导电性和更强的电子接受能力（EAC = 2.6 mmol e^-1 g^-1），在27天后实现了最高的PH去除率（83.4%）。BC800还增加了细胞外聚合物的产生，并促进了富含蛋白质的生物膜形成，这与增强的生物膜形成和细胞外电子传递相一致；而经过HNO₃处理的BC800则减弱了这些效果。微生物群落分析、网络分析及功能基因预测表明，BC800使BEM中的微生物群落向更合作、更倾向于降解的方向转变。总体而言，本研究揭示了生物炭的电化学和结构特性与其在BEM中性能之间的联系，并支持将废弃污泥转化为导电生物炭以有效修复受PH污染土壤的思路。

引言

随着石油工业的迅速发展，大规模的勘探、运输、精炼和最终使用导致石油烃（PH）在土壤中的累积[1],[2]。PH由脂肪族和芳香族成分组成，包括烷烃、环烷烃/烯烃、单环芳烃和多环芳烃（PAH）[1],[2]。这些疏水性有机物一旦进入土壤，会持续存在并改变土壤的关键物理化学性质（如孔隙度、润湿性和养分可用性），从而降低土壤肥力和微生物功能；同时，可移动的PH成分可能迁移到地下水中并进入食物链，引发生态和人类健康问题[3]。毒理学证据表明，某些PH成分具有神经毒性、免疫毒性、内分泌干扰性和基因毒性[4]。例如，长期暴露于10-100 mg L^-1的正己烷可能导致周围神经病变，而持续吸入1 mg L^-1的苯可能引发血液系统疾病和白血病[5]。这些发现凸显了开发高效且环境友好的PH污染土壤修复技术的必要性。

微生物修复被认为是处理受PH污染土壤的最有前景的方法之一，因为它成本低廉、环境兼容性强，适用于原位或局部处理[6],[7]。微生物在有氧或厌氧条件下利用氧气、硝酸盐、Fe(III)或硫酸盐作为电子受体来降解PH[8]。然而，其效果常常受到污染物、养分和电子受体生物可利用性的限制[9]。引入电场可以增强电动传输和原位电化学反应，从而提高污染物的可利用性和电子受体数量，刺激微生物代谢。然而，直流电场的长期运行会导致电极附近离子积累和pH梯度急剧变化，最终抑制微生物活性[10]。后续研究表明，交流电（AC）场可以将土壤pH维持在相对良性的6-8范围内，提高PH的生物可利用性，并增加微生物多样性，从而显著促进PH的降解。尽管如此，试点规模测试显示，电极附近的PH去除率仍远低于电极间区域，表明有限的电子传递效率和电子受体分布不均匀是实际应用中的关键瓶颈[11],[12]。

生物炭（BC）是一种经济且环保的功能材料。其可调的导电性和氧化还原活性基团可以增强土壤中的电子传递，表面电荷和电子供体/受体特性有助于有机污染物的吸附，其界面电化学性质（如表面电荷和氧化还原活性）有助于微生物附着和定殖[13]。根据其结构，BC既可以作为“地质导体”提高土壤的整体导电性，也可以作为“地质电池”通过氧化还原活性表面基团（如酚类和醌类基团）介导微生物的细胞外电子传递（EET），从而加速有机污染物的降解[14]。热解温度被确定为控制BC石墨化程度和表面化学性质的关键因素，进而影响主导的电子传递途径[15]。高温处理的BC通常通过富含层状碳片的导电网络促进电子传输，而富氧处理的BC则通过表面氧化还原循环来传递电子[16]。

值得注意的是，活性污泥衍生的BC提供了一种将废物转化为资源的方法，通常富含矿物质灰分和杂原子（如N、P和S），这可以显著改变其电化学和界面性质[17]。嵌入的矿物质和杂原子掺杂的碳框架据报道可以增强导电性和氧化还原缓冲能力，而富含灰分的改性表面可以促进微生物附着和定殖，共同强化PH和PAH的固定和微生物介导的转化[18]。基于这些特性，我们假设活性污泥衍生的BC可以作为有效的电子传递介质，增强交流电驱动和微生物介导的PH污染土壤修复效果，但其在这种AC + BC-微生物混合系统中的“地质导体”或“地质电池”作用仍需进一步研究。

为了验证这一假设，我们构建了一个利用活性污泥衍生BC的BC增强型AC-微生物修复系统（BEM），用于处理受PH污染的土壤。首先通过改变热解温度（400、600和800°C）和后续处理方式（HNO₃氧化、KBH₄还原和液氮淬火）对污泥BC进行改性，然后对其孔隙结构和电化学性质进行系统表征，以建立结构与电活性的关联。优化后的BC材料被应用于交流电辅助的土壤反应器中，以量化PH去除效果并确定关键材料和操作因素。最后，通过分析细胞外聚合物（EPS）的数量和组成、微生物丰度、群落组成和功能基因，阐明了生物炭如何在AC-BC-微生物混合系统中调节界面电子传递。总体而言，本研究为设计导电污泥衍生生物炭提供了机制依据和实际指导，以推进PH污染土壤的电生物修复。

部分内容摘录

BC的制备与改性

BC由市政污水处理厂的剩余污泥制备而成。干燥和研磨后，污泥在N₂条件下于400、600和800°C下在管式炉中热解2小时，分别得到BC400、BC600和BC800。为了探讨表面性质对BEM系统中PH去除效果的影响，进一步对BC800进行了HNO₃氧化、KBH₄还原和液氮淬火改性[19]。所有BC样品在使用前均经过洗涤、干燥并过100目筛网。

BC的表征

污泥衍生BC的表面形态、石墨化程度和表面功能特征在图2中进行了总结，其中BC800作为代表性材料进行讨论。BC400、BC600及改性BC800的SEM（图S1）、TEM（图S2）和XPS（图S3及表S2）结果见支持信息。通过SEM图像对比可以看出，随着热解温度的升高，污泥衍生生物炭逐渐从扁平结构转变为

结论

本研究建立了一种用于修复受PH污染土壤的BEM系统，并确定在800°C下制备的活性污泥衍生BC是测试材料中最有效的添加剂。BC800在27天后实现了最高的PH去除率（83.4%），明显优于仅使用BIO或AC + BIO对照组、低温处理的BC（BC400和BC600）以及经过后续处理的BC800变体（液氮、KBH₄和HNO₃处理）。其优异的性能可能归因于

环境意义

石油烃在土壤中持续存在，难以高效去除。本研究表明，在800°C下制备的活性污泥衍生生物炭通过同时改善界面电子传递和稳定土壤微环境，显著增强了交流电辅助的微生物修复效果。这种导电性强的、具有氧化还原缓冲能力的生物炭促进了富含蛋白质的细胞外聚合物的形成和生物膜的形成，从而促进了细胞外电子传递

CRediT作者贡献声明

周双：撰写初稿、数据分析、正式分析、数据管理。杨晓霞：软件应用、资源准备、方法学设计。顾文倩：撰写初稿、数据分析、正式分析。何欢：撰写、审稿与编辑、监督工作、资源协调、概念构思。黄颖：撰写、审稿与编辑、监督工作、资源协调、概念构思。潘学军：资源协调、项目管理、资金争取。Al-Anazi Abdulaziz：撰写、审稿与编辑、方法学设计

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了浙江省自然科学基金（LHZY24B070001）、浙江省“领头鹅”研发计划（2024C03249）、西南联合研究生院云南省科技项目（202402AO370002）、云南省重大科技项目（202502AE090032和202302AG050001）以及云南省新兴污染物控制国际联合实验室（202503AP140002）的支持。作者衷心感谢