综述：农田土壤中电子转移耦合与生物元素转化的研究进展：综述

《Soil and Tillage Research》：Electron transfer coupling with biogenic elements conversion in farmland soil: A review

电活性微生物通过外源电子转移驱动农田土壤中碳、氮、硫、铁等元素的生物地球化学循环，影响污染物去除与土壤肥力提升。本文综述了电活性微生物种类、电子转移直接与间接模式及其与元素耦合转化的机制，提出优化电子转移路径和深化机制研究是未来方向，为可持续农业提供新策略。

　　

Sihan Zhao|Guang Yang|Yuewei Yang|Xin Yu|Jialu Sun|Xiaolin Zhang|Pinpin Yang|Xiaodong Zhao|Xiaojing Li

河北工程大学能源与环境工程学院，中国邯郸056038

摘要

农田土壤是一个复杂的系统，涉及多种生物元素的转化，在维持土壤生态平衡中起着关键作用。细胞外电子转移（EET）是物质循环和能量交换的重要驱动力，因此它影响着土壤元素的生物地球化学过程和循环，包括矿物形成与演化、养分循环，甚至污染物的去除以及耕作土地质量的提升。本文综述了农田土壤中电子转移研究的进展，概述了电活性微生物、电子转移方式及其与碳、氮、硫和铁元素的耦合转化过程。随后提出了未来的研究方向，包括深入探索电子转移机制、优化电子转移途径以及提高生物元素的转化效率。该综述为调控元素生物转化提供了新的方法，有助于提升农田土壤肥力并促进农业的可持续发展。

引言

土壤包含了全球四分之一的生物多样性，丰富的生物多样性对维持土壤养分至关重要。每克肥沃土壤中含有10⁹-10¹⁰个微生物，而每克贫瘠土壤中则含有10⁶-10⁷个微生物。其中，具有细胞外电子转移（EET）能力的电活性微生物（EMs）因其能量回收和土壤环境修复能力而受到关注。这些微生物广泛应用于生物电化学系统（BESs）中，如微生物燃料电池（MFCs）和微生物电合成细胞（MECs），它们能够将各种有机或无机化合物转化为电能或生化物质（Thapa等人，2022年）。生物电化学系统结合了生物技术和电化学氧化还原技术，不仅能够持续提供电子受体，还能从自然环境中定向富集EMs，从而实现碳、氮、硫和铁等元素的转化调控（Logan等人，2012年）。系统中的电活性微生物可通过纳米线、电子转移蛋白和导电材料传递电子，并与多种生物元素耦合以实现协同转化，从而提高土壤中养分的有效性。本文综述了电活性微生物的种类、电子转移方式及其与元素转化的相互作用，以支持农业的可持续发展。

电子活性微生物

电子活性微生物广泛存在于沉积物和土壤等环境中（Wang等人，2019a），它们在细胞内和细胞外的氧化还原活性电子供体和受体之间参与电子转移（Potter，1911年），并在生物地球化学元素循环中发挥关键作用（图1）。电活性微生物分为两类：产电微生物（exoelectrogens）和嗜电微生物（electrotrophic microorganisms）。前者是指能够产生电能的微生物

电子转移方式

电子转移在微生物代谢中至关重要，使电活性微生物能够参与环境中的元素生物转化（Zhen等人，2024年）。电子转移发生在微生物与电极（阳极或阴极）或金属矿物之间，也可发生在微生物之间，根据电子转移的途径和距离可分为直接电子转移（DET）和间接电子转移（IET）（Zhao等人，2021a）。DET是指...

电子转移与生物元素的耦合

微生物的EET是通过跨膜电子转移通道或氧化还原介质将细胞内（外）电子转移到细胞外（内）电子受体（供体）的过程（Fan等人，2024年）。这一过程参与了多种环境行为，并驱动多元素生物地球化学循环，尤其是碳、氮、硫和铁的循环，这些元素是耕作土地质量和肥力的基础。

结论

目前，电子转移在调控农田土壤中的元素转化和能量交换方面显示出其重要性，为土壤污染控制和质量提升提供了可持续且环保的解决方案。先前的研究发现了电活性微生物及其在碳、氮、硫和铁生物转化过程中的电子转移方式。然而，在实际应用中仍存在许多需要克服的挑战。首先，随着新电活性微生物的不断发现...

作者贡献

Sihan Zhao和Guang Yang负责文献搜索与分析；Yuewei Yang、Xin Yu和Jialu Sun参与数据可视化；Xiaolin Zhang、Pinpin Yang和Xiaodong Zhao参与方法学研究；Xiaojing Li参与概念构建和资金支持。所有作者均参与了写作和编辑工作。

CRediT作者贡献声明

Jialu Sun：方法学研究、数据分析。Xin Yu：方法学研究、数据分析。Yuewei Yang：方法学研究、数据分析。Guang Yang：初稿撰写、监督、资源提供、数据分析。Xiaolin Zhang：方法学研究、数据分析。Xiaodong Zhao：审稿与编辑、软件使用、资源提供。Pinpin Yang：审稿与编辑、数据分析。Sihan Zhao：初稿撰写、研究设计。

资助

本研究得到了农业科技创新计划（CAAS-BRC-GLCA-2025–02、CAAS-BRC-GLCA-2023–02）、国家自然科学基金（42477041、41977133）以及天津市自然科学基金重点项目（23JCZDJC00480）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。