一、图片摘要

　　二、成果简介

　　近日，福建农林大学周顺桂教授团队在化学及环境领域著名学术期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Enhanced organic matter humification by hydroxyl radical generation during electric field-assisted aerobic composting”的研究论文。该文章提出了通过电活性细菌促进电子转移产生羟基自由基（•OH），加速电场辅助好氧堆肥（EAC）对有机物腐殖化的新途径。该研究证实电场可以显著促进ROS的产生和有机物的腐殖化，并且EAC的阳极区（A区）和阴极区（C区）分别是单线态氧（¹O₂，最高产率为83.2−132.8 μmol·kg^-1）和•OH（最高产率为2343.4–2905.2 μmol·kg^-1）的富集区。通过模拟堆肥证实了聚集在电极上的电活性细菌可以促进电子由电极向O₂的转移，从而增强•OH的产生；而清除•OH可以显著抑制有机物的腐殖化。这些研究结果表明微生物诱导电子转移产生的•OH是促进堆肥中有机物腐殖化的主要原因。这项工作揭示了ROS在EAC处理有机固体废物过程中不可忽视的作用，也为电辅助技术转化有机物的机理提供新的认识。

　　三、引言

　　ROS在自然界广泛存在，并驱动着以氧化还原为中心的生物地球化学过程，推动全球碳循环和污染物转化。特别是在地下或交替缺氧-好氧环境中，如地下水、潮间带、沉积物和堆肥等，氧化还原活性物质向O₂转移电子的过程，可以产生大量的ROS，包括：•OH、¹O₂和超氧自由基。值得注意的是，微生物呼吸过程的电子转移可以驱动氧化还原活性物质的循环转化，持续产生•OH。因此，提高环境过程电子的供应和转移能力有助于增强ROS的产生，并促进环境中有机物的转化。EAC是一种有极具前景的传统堆肥改良技术，可以有效提高有机固体废物的腐殖化效率。电场诱导微生物活性的增强被认为是促进EAC中有机物腐殖化的主要驱动力，特别是电活性微生物，不仅可以直接将电子转移至电子受体，还可以介导还原性物质的氧化还原循环，如Fe或腐殖酸等。此外，最近的研究发现电活性菌可以促进电子由堆肥颗粒向O₂流动，从而提高EAC的腐殖化效率。值得注意的是，O₂接受电子可以被激活而产生•OH等ROS，而•OH可以通过自由基缩合促进腐殖质的形成。基于这些先例，我们想知道在EAC中是否会产生ROS；如果这种情况发生，将极大地影响有机质的腐殖化过程。因此，本研究旨在：（1）探索不同电场强度下EAC过程中ROS的动态演化和分布；（2）探究ROS对EAC腐殖化的影响。

　　四、图文导读

　　（一）EAC过程中ROS生成特征

　　首先，我们对EAC过程中产生的ROS产量进行了分析。如图1所示，EAC中主要生成¹O₂和•OH两种ROS，并且随着电场强度的增加，ROS的含量也不断提高；¹O₂的含量由EAC的A区向C区逐渐降低（图1a），而•OH的含量由EAC的A区向C区逐渐增加（图1b）。上述结果证实了EAC过程中会产生ROS并且•OH是主要的ROS类型。

图1. EAC中ROS的动态变化。（a）¹O₂含量变化；(b)•OH含量变化。

　　（二）EAC对有机物腐殖化的性能分析

　　为探究不同电场强度对EAC有机物腐殖化的影响，通过三维荧光光谱表征了EAC不同区域的有机物腐殖化程度（图2）。结果表明，与对照组相比，EAC可以促进有机物的腐殖化程度，并且电场强度越大，C峰（代表类富里酸物质）和D峰（代表类腐殖酸物质）的峰强越高的。进一步通过腐殖质含量提取、腐殖酸与富里酸比率计算以及傅里叶变换离子回旋共振质谱分析，证实了提高电场强度可以促进EAC对有机质的腐殖化。此外，除对照组外，EAC_12V和EAC_5V中C区的有机物腐殖化的效果高于中间区域和A区，这个趋势与•OH含量的变化趋化相同，表明•OH可能是影响EAC腐殖化的重要因素。

图2.EAC处理40天后，堆肥样品的三维荧光光谱。（a）EAC_12V，（b）EAC_5V，（c）对照组，（d）不同区域整合与初始样品的体积百分比变化。

　　（三）ROS在有机物腐殖质化中的作用

　　通过对EAC中微生物群落结构分析发现，电场增强了EAC中C区微生物的多样性（图3a），并且EAC中含有更多电活性细菌（图3b），如Bacillus，Enterococcus和Tepidimicrobium，这可能会增强电子从EAC阴极向电子受体（O₂）的转移，从而产生ROS。为了明确影响EAC中有机物腐殖化的因素，通过构建偏最小二乘路径模型（PLS-PM）以评估堆肥理化性质、微生物、ROS与有机物腐殖化之间的直接影响和间接影响。结果表明•OH对EAC中有机物的腐殖化具有显著的积极影响，并随着电场强度的增强而增加（图3c~3e），这个结果为•OH可能是促进有机物腐殖化的关键因素提供了证据。

图3.EAC中微生物群落结构和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析。

　　（a）细菌群落的Chao 1指数和Shannon指数；（b）前25个属水平微生物的相对丰度。（c）EAC_12V，（d）EAC_5V和对照组的PLS-PM。

　　（4）EAC中•OH生成及有机质腐殖化的机理

　　通过模拟堆肥对实验体系中产生的ROS和微生物进行猝灭。结果表明在不进行任何处理的正常组中，大量细菌会附着在电极板上，而灭菌组中仅附着少量死菌，当清除ROS后，可以提高电极上细菌的活性（图4a~4d）。进一步对模拟堆肥体系中的•OH含量进行分析，结果表明正常组中•OH含量呈先升高再降低的趋势，并且阴极室的•OH含量显著高于阳极室，当添加ROS清除剂后，模拟堆肥中•OH含量锐减，而灭菌组中仅含有微量的•OH（图4e~4h）。

　　图4.模拟堆肥中电极上生物膜的观察及•OH含量分析。（a）正常组，（b）灭菌组，（c）•OH清除组和（d）H₂O₂清除组中正负极上的生物膜；（e）正常组中，（f）灭菌组，（g）•OH清除组和（h）H₂O₂清除组中•OH的含量。

　　进一步分析模拟堆肥中有机物的腐殖化程度，结果表明当•OH和H₂O₂清除后，有机物的腐殖化被抑制，并且清除•OH对有机物腐殖化的抑制最大；而灭菌组中有机物几乎未被腐殖化（图5）。这些结果表明微生物具有介导电子从电极转移到O₂并产生•OH的能力，同时也证实了•OH是驱动EAC有机物腐殖化的关键因素。

图5. 模拟堆肥后阳极和阴极室中有机物的腐殖化程度。

　　（a）正常组，（b）•OH清除组，（c）H₂O₂清除组，（d）灭菌组，（e）不同区域整合与初始样品的体积百分比变化。

　　五、小结

　　本研究证实了EAC过程中可以产生大量ROS并促进有机物的腐殖化。EAC中ROS的含量呈阶梯式分布，阳极区和阴极区分别是¹O₂和•OH的富集区，并且增强电场可以促进EAC中ROS的产生及有机物的腐殖化。通过PLS-PM的构建确定了•OH是影响有机物腐殖化的主要因素，进一步通过模拟堆肥揭示了EAC过程中微生物介导电子从电极转移至O₂并产生•OH的新途径，为EAC促进有机物的腐殖化提供了新的认识，也为电辅助技术转化有机物的机理提供了新的思路。

　　（来源：“环境人Environmentor”微信公众号）