《International Journal of Molecular Sciences》：Tailored Biochar–Pseudomonas chlororaphis Composites for Triclocarban Removal: A Feedstock-Dependent Structure–Interface–Metabolism Study
Changlei Wang,
Chongshu Li,
Fangrong Wei,
Jialin Liu,
Yan Long and
Jinshao Ye
编辑推荐：
本研究聚焦农业废弃物（稻壳、玉米秸秆、玉米芯）基生物炭与绿针假单胞菌（Pseudomonas chlororaphis）构建的复合体（BBCs）对三氯卡班（TCC）的强化去除。通过多尺度分析（SEM、BET、FTIR、XPS、CV、EIS、LC-MS）提出了“结构-界面-代谢”耦合框架，揭示了原料依赖性的生物炭特性（孔结构、表面化学）通过调控细菌粘附、界面电子交换（EET）及胞外氧化还原相关代谢特征，进而提升TCC去除效率的机制。其中，玉米芯生物炭复合体（CC + PC）显示出最优的TCC去除性能，这与其更强的芳香族降解/醌化特征及更高的氧化还原活性中间体丰度相关，为设计针对卤化微污染物的生物炭强化生物处理工艺提供了理论指导。
引言：生物炭-细菌复合体的潜力与挑战
生物炭-细菌复合体（BBCs）作为一种极具潜力的污染修复手段，其应用已在美国和欧洲的碳氢化合物及氯化有机物去除中得到报道。生物炭具有大比表面积、多级孔结构和丰富的表面官能团（如醌、酚、羧基、胺基），这些特性不仅为微生物定殖提供了稳定位点和保护性微生境，还能直接参与电子交换。当微生物固定在生物炭上时，复合体的界面电阻降低，扩散路径缩短，从而增强了胞外电子传递（EET）并重塑了微生物的代谢途径。因此，BBCs能够比游离细胞实现更快、更高效的污染物降解。三氯卡班（TCC）作为一种广泛用于个人护理产品的卤化抗菌剂，因其氯代芳香结构而具有高持久性和难降解性，成为研究卤化持久性有机污染物（POPs）和新关注污染物（CECs）降解的理想探针化合物。绿针假单胞菌（P. chlororaphis）是一种能够通过高效的EET过程降解芳香族和氯化合物的多功能细菌，是构建针对TCC的BBCs的合适模型生物。本研究使用稻壳、玉米秸秆和玉米芯三种农业废弃物制备生物炭，旨在通过多尺度分析，阐明原料依赖性的生物炭特性如何调节微生物界面和代谢，从而影响TCC的去除。
结果
1. 生物炭的理化性质
三种生物炭在形态和表面化学上存在显著差异。玉米秸秆（CS）生物炭具有最大的比表面积（85.51 m2/g）、孔体积（3.8 cm3/g）和平均孔径（139.68 nm）。玉米芯（CC）生物炭的比表面积较低（12.96 m2/g），但以介孔（2–50 nm）为主，具有可测量的孔体积（0.6 cm3/g）。稻壳（RH）生物炭的碳含量较低，而氧和灰分（富含硅）含量较高。XPS分析显示了表面元素组成的原料依赖性差异，RH生物炭显示出明显的Si信号。扫描电镜（SEM）观察显示，CC + PC复合体在代表性视野中形成了更连续的生物膜样层，表明CC可能提供了更有利的定殖表面。
2. TCC去除性能
与游离细胞（PC）相比，所有BBCs都显著提高了TCC的去除率，整体趋势为 CC + PC > CS + PC > RH + PC > PC。单独的纯生物炭对照仅显示出4.62–5.40%的表观损失，表明生物炭本身对TCC降解贡献很小，增强作用主要源于生物炭与细菌细胞之间的协同作用。
3. FTIR光谱观察到的官能团变化
傅里叶变换红外光谱（FTIR）比较表明，所有复合体系统与其对应的纯生物炭和细菌细胞相比，羟基、羰基和羧基的吸收带均减弱或发生位移，表明细胞固定显著影响了载体的表面化学活性。特别是~3420 cm?1处的宽峰（O-H/N-H伸缩）在所有复合体中均明显减弱。这些光谱变化表明固定化改变了界面化学环境，可能有助于改善界面电子传递。
4. 比较性CV和EIS特性
电化学分析证实，所有BBCs与纯细菌培养物相比，都显著增强了电子转移能力。PC组显示出最高的电荷转移电阻（Rct= 254.0 kΩ），而所有负载生物炭系统的Rct值均大幅降低，其中RH + PC的Rct最低（5.6 kΩ）。循环伏安法（CV）结果显示，纯生物炭存在明显的氧化还原峰，而复合体系统显示出介于纯细菌细胞和生物炭之间的电流响应，表明生物炭负载和固定化改善了电化学活性界面接触，从而促进了EET。值得注意的是，尽管RH + PC具有最低的Rct，但其TCC降解率并非最高，这表明界面电荷转移动力学是一个促成因素，但并非决定去除性能的唯一因素。
5. 非靶向代谢组学揭示的全局代谢改变
非靶向液相色谱-质谱（LC-MS）分析揭示了绿针假单胞菌固定在生物炭载体上后，胞外代谢组的显著重塑。主成分分析（PCA）显示，生物炭负载组与游离细胞组清晰分离。与PC相比，三种复合体系统中的差异代谢物主要与三个功能主题相关：（i）可溶性电子穿梭体的重组；（ii）芳香族醌/多酚相关转化产物的增加；（iii）与辅因子和抗氧化稳态相关的代谢物的协调调节。具体而言，黄素类电子穿梭体（如FAD、FMN）的相对丰度普遍下降，而醌类和多酚类相关代谢物特征在所有BBCs中均显著增加。在通路水平上，CC + PC系统显示出最强的芳香族降解/醌形成相关通路富集（如氨基苯甲酸降解、苯乙烯降解）。CS + PC系统显示出中等程度的芳香族降解特征以及铁载体/ABC转运蛋白的富集。RH + PC系统则表现出更强的与戊糖磷酸途径（PPP）和谷胱甘肽代谢（GSH）相关的氧化还原维持特征。这些代谢模式与污染物去除性能相关联：CC + PC系统具有最强的芳香族降解/醌形成特征和最高的氧化还原活性芳香中间体丰度，对应最高的TCC去除率。
讨论
基于结构、光谱、电化学和代谢组学的综合结果，本研究提出了一个解释性的四层“结构-界面-代谢”耦合框架，以合理化TCC去除性能的原料依赖性差异。
- 1.
结构限制框架：由BET/孔隙度指标和SEM附着模式支持。原料差异导致细胞空间分布不同，CC生物炭的介孔主导结构在代表性视野中促进了更连续的生物膜样层形成。
- 2.
界面协同层：由固定化后FTIR光谱中可重复观察到的界面化学变化支持。固定化改变了界面化学环境，可能涉及氢键/络合和EPS相关功能。尽管RH + PC具有最低的Rct，但其TCC去除率并非最高，表明Rct是一个描述性参数，但不足以单独预测去除性能。
- 3.
代谢调节层：由非靶向代谢组学统计结果支持。不同原料的生物炭复合体显示出差异化的胞外氧化还原相关代谢特征。CC + PC系统表现出最强的芳香族降解/醌化特征，CS + PC系统显示出更平衡的介质/转运相关特征，RH + PC系统则显示出更强的PPP/GSH相关氧化还原维持特征。
- 4.
能量整合层：由电化学描述符支持。与PC相比，所有BBCs都显著降低了界面电荷转移电阻，表明生物炭负载改善了界面电子转移动力学。
总之，本研究支持一种原料依赖性的多层解释框架，将生物炭结构、界面化学、电化学行为和胞外代谢组学特征联系起来，以解释其对绿针假单胞菌降解TCC的增强作用。生物炭不仅作为导电支架，还可能通过其氧化还原活性表面功能调控微生物的代谢状态，从而形成一种协同的“结构-界面-代谢”系统。
局限性：本研究存在一些局限性，包括未定量生物炭的可浸出溶解性有机碳（DOC）、代谢组学结果基于相对丰度而非直接通量、未表征TCC的转化产物和总质量平衡、未评估混合物毒性变化以及未测试复合体的可重复使用性和长期稳定性。这些为未来研究指明了方向。
结论
本研究支持了一个原料依赖性的多层解释框架，该框架将生物炭结构、界面化学、电化学行为和胞外代谢组学特征联系起来，共同增强了生物炭固定的绿针假单胞菌对TCC的生物降解。在测试的系统中，生物炭负载与更高的TCC去除率、可重复的界面官能团扰动以及改善的界面电荷转移动力学相关，同时还得到了统计学支持的胞外代谢组重塑。这些观察结果共同支持了一个耦合的“结构-界面-代谢”框架，其中界面氧化还原活性功能和氧化还原相关代谢特征可能有助于EET和污染物转化。在原料中，玉米芯生物炭与更强的醌/芳香中间体特征相关，这与更高的电子供体潜力和对卤化微污染物高负荷深度处理的更佳适用性一致；玉米秸秆生物炭显示出介质/转运相关特征，表明其具有持续电子交换的能力；稻壳生物炭则显示出PPP/GSH相关特征，表明其具有增强的氧化还原维持/再生能力。这些机制性归因应被视为有证据支持的解读，仍需未来的针对性验证。
