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碳纤维作为人工生物电缆在石油污染土壤中显著提升电子传递效率，促进多生物地球化学循环耦合与微生物群落重构，持续407天有效缓解电子传递阻滞。
作者：杨侧|张晓琳|赵晓东|王凯|王德军|何文清|李晓静|李永涛
中国农业与农村事务部农业环境保护研究所 / 农业农村事务部农业环境污染原位防治重点实验室 / 天津农业环境与农产品安全重点实验室，中国天津300191
摘要
低胞外电子传递（EET）效率以及功能性微生物之间有限的协同作用是石油烃污染土壤原位生物修复的瓶颈。在这项研究中，碳纤维被用作导电介质，在土壤中构建了长期的“人工生物电缆”，持续时间为407天。结果表明，与对照组相比，碳纤维显著增强了土壤的电子传输能力，电子通量和最大功率密度分别增加了4.7倍和15倍。此外，碳纤维的引入重构了细菌、真菌和古菌群落，丰富了具有电活性的和能够降解烃类的微生物，如脱硫单胞菌属（Desulfuromonas）、假单胞菌属（Pseudomonas）和甲烷氧化菌属（Methanothrix）。功能基因分析显示，碳纤维促进了糖酵解、三羧酸（TCA）循环和氮代谢，并上调了与导电菌毛相关的基因，从而加速了EET过程。本质上，碳纤维在土壤孔隙中形成了一个导电网络，充当“人工生物电缆”，长期显著降低了电子传递阻力。具有电活性的细菌，如脱硫单胞菌属、假单胞菌属、地杆菌属（Geobacter）和梭菌属（Clostridium），通过导电菌毛和外膜细胞色素（例如MtrA/B）将烃类降解产生的电子直接传递给碳纤维，从而实现了高效的胞外电子释放。本研究提出了一种新型的生物电子引导策略，用于原位修复有机污染土壤，支持可持续的土壤恢复和生物地球化学过程。
引言
石油烃（PHCs）是全球土壤中最普遍和持久的有机污染物之一。它们的毒性会破坏土壤的物理化学性质和微生物群落结构，甚至可以通过食物链在生物体内积累，对生态系统和人类健康构成威胁[1]。限制土壤中PHCs降解的一个关键因素是氧气渗透受限以及电子受体不足，这阻碍了微生物代谢过程中的电子传递，导致“电子流动阻塞”，严重限制了生物降解效率[2]、[3]。因此，在受污染的土壤中重新建立有效的生物电子流动已成为提高PHCs修复效率的核心科学挑战。
目前，土壤微生物电化学系统（MES）提供了一种新的方法来应对这一挑战。MES利用电极作为电子受体，通过富集电活性微生物来改善电子传递并缓解电子受体不足的问题，从而驱动PHCs的厌氧降解[4]。先前的研究表明，MES在促进烷烃和芳香烃（石油的主要成分）的降解方面具有显著优势[5]。然而，土壤的高电阻和空间异质性继续限制了电子传输效率，阻碍了土壤孔隙网络中的有效生物电子流动。为了克服这一瓶颈，研究人员探索了诸如修改孔隙结构或引入导电材料等策略来降低电子传递阻力。例如，加入磁铁矿或生物炭可以建立导电网络，促进物种间的电子共享并加速PHCs的降解[6]、[7]。同样，天然电子穿梭体如富里酸也被证明可以增强微生物间的电子共生[8]。总体而言，这些研究表明，土壤中PHCs的降解效率在很大程度上取决于生物电子流动的建立和效率。然而，在复杂且异质性的土壤基质中建立稳定的长距离电子传递途径仍然知之甚少，尤其是在短期性能提升之后。
在自然界中，某些“生物电缆”细菌（例如脱硫球杆菌科（Desulfobulbaceae）可以通过丝状多细胞结构传输厘米级的电子流动，从而在分层的氧化还原沉积环境中维持硫和碳循环[9]、[10]。然而，由于这些电缆细菌的培养要求严格且依赖环境条件，其在工程应用中的使用受到限制，难以大规模实施[11]、[12]、[13]。这突显了需要人工类似物的必要性，以桥接空间分离的氧化还原过程并在土壤中维持长距离的生物电子流动。受到这一启发，碳纤维因其优异的导电性和柔性的丝状形态而被认为是“人工生物电缆”的理想替代品。预计碳纤维将在土壤MES中充当电子导体，将微生物代谢释放的电子与PHCs降解过程连接起来，同时进一步耦合氮、铁和硫的生物地球化学循环。基于我们小组早期的观察结果，碳纤维能够提高土壤MES的生物电能生成性能[3]，本研究重点探讨了其背后的机制。然而，大多数涉及土壤MES中导电材料的研究主要关注短期电化学或降解性能，而碳纤维如何调节长距离生物电子流动、重构复杂的土壤微生物群落以及在长时间内与元素循环相互作用的具体机制仍不清楚。
基于此，本研究使用碳纤维作为“人工生物电缆”来构建土壤MES。我们系统评估了它们对电化学性能、PHCs降解、土壤物理化学性质、EPS（胞外聚合物）、微生物群落和功能基因的影响。通过整合电化学、微生物和分子分析，本研究旨在阐明碳纤维介导的人工生物电缆如何桥接和维持生物电子流动，并将PHCs降解与氮和铁循环耦合起来，从而为石油污染土壤的高效和可持续原位修复策略提供机制基础。
测试土壤、处理和采样
测试土壤取自天津大港油田（38°71′ N, 117°55′ E）石油烃污染土壤的0-20厘米层。采集后，土壤经过空气干燥并通过2毫米筛网过滤以供进一步使用。其基本物理化学性质如下：pH值为7.92，电导率（EC）为4790 μS/cm，溶解有机碳（DOC）浓度为441 mg/kg，总石油烃（TPHCs）浓度为71,925 mg/kg。
碳纤维实现持续且有效的电子流动
碳纤维的引入显著影响了土壤中的电子传导，导致土壤MES的电力生成性能和微生物电化学参数发生了显著变化（图1A-C）。在运行初期（1-2天），所有反应器都显示出电流密度的快速峰值，主要是由于阳极附近易降解的有机物（如烃类）的分解[21]。在这个阶段，对照组（CK）和
结论
本研究揭示了碳纤维在石油烃污染土壤中作为“人工生物电缆”的作用，通过建立连续的导电网络，显著增强了EET，并促进了电活性细菌、降解烃类的微生物以及还原铁和硫的功能微生物的共富集。结果，碳、氮、铁和硫循环与石油烃降解紧密耦合，形成了高效且稳定的
环境意义
这项工作提供了关于工程化导电结构如何调节石油污染土壤修复过程中的地球化学转化和土壤生态过程的机制见解。碳纤维丝状体作为长期的人工生物电缆，形成了孔隙尺度的电子传输网络，重新组织了氧化还原梯度，实现了长距离电子流动。这降低了电子传递阻力，增强了碳矿化、氮转化和铁之间的耦合
作者贡献声明
杨侧：撰写——初稿、可视化、软件开发、数据分析。张晓琳：撰写——初稿、可视化、方法论、资金获取、数据分析。赵晓东：撰写——审稿与编辑、资源提供、方法论、资金获取、数据分析。李晓静：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。李永涛：监督、方法论。何文清：监督、方法论
致谢
本研究得到了农业科技创新计划（CAAS-BRC-GLCA-2023-02）、国家自然科学基金（42507050、42477041和41977133）、天津市自然科学基金重点项目（23JCZDJC00480）以及中国农业科学院青年创新计划（Y2025QC22）的财政支持。
作者声明没有已知的利益冲突。
