关于Fe₂O₃介导的方向性电子转移的机制研究：这种电子转移驱动了厌氧微生物之间的相互作用，从而增强了4-氯酚的降解效果

微生物协同降解4-氯苯酚的Fe₂O₃耦合厌氧系统研究显示，铁氧化物介导的电子转移网络通过调控微生物群落互作和能量代谢，显著提升污染物降解效率至常规方法的1.38倍，分子动力学模拟证实铁氧化物与细胞色素c的电子交换机制。

王子君|侯成|桂宁远|王一轩|江新柏|沈金友

工业和信息化部环境与生物工程学院环境修复与生态健康重点实验室，南京工业大学，江苏南京，210094，中国

摘要

由于电子供应不足，难降解污染物的厌氧降解仍然是一个重大挑战。基于细胞外电子转移（EET）过程的种间电子转移（IET）在支持复杂微生物群落的协同代谢中起着关键作用。本文构建了一个由Fe₂O₃驱动的厌氧系统，并利用电位梯度来增强4-氯苯酚（4-CP）的降解效率，其去除效率是传统厌氧处理的1.38倍。Fe(II)/Fe(III)氧化还原循环与细胞色素c介导的EET相结合，克服了外膜电活性蛋白与导电材料之间短距离电子转移的局限，从而激活了甲烷生成菌、发酵细菌、降解菌和铁还原菌之间的直接IET。Fe₂O₃不仅重塑了微生物群落，还增强了丙酮酸代谢和糖异生作用，促进了血红素生物合成和细胞色素c的组装，并加强了细胞色素c介导的电子传输，以利于细胞外电子的吸收，同时减少了对NADH脱氢酶的依赖。这种刺激的种间合作促进了多种4-CP降解途径，包括脱氯、水解和取代反应。分子动力学模拟（MDS）进一步验证了Fe₂O₃与血红素之间的高效电子交换，这有助于建立长距离的微生物电子传输网络。Fe₂O₃介导的方向性电子转移重构了微生物的能量代谢和种间相互作用，为含氯苯酚废水的厌氧修复提供了一种有效的策略。

引言

厌氧生物技术因其内在的低氧化还原电位而被广泛用于处理含有氯化芳香化合物（CACs）的废水[1]。然而，CACs的高效生物修复面临两个根本性瓶颈。首先，氯的强电子抽取性质以及C–Cl键的高键解离能（约401 kJ/mol）需要大量且连续的还原剂供应[2]。其次，CACs本身的高毒性和难降解性抑制了微生物活性，导致内源性电子生成不足[3]。这些问题从根本上导致了传统厌氧系统中较低的脱氯效率。为了解决电子供应问题，开发了生物电化学系统，在该系统中，电极间的电位梯度提供了热力学驱动力，通过外部电路将电子从氧化区导向还原区以实现污染物降解[4]。然而，从电极有效吸收电子主要依赖于少数专门的电活性细菌（如Geobacter和Shewanella），它们利用外膜细胞色素复合物（如Mtr、Omc）进行细胞外电子转移（EET）[5]、[6]。由于大多数微生物缺乏这种直接的EET机制，这种对特定EAB的依赖限制了电子传输距离（纳米级），并限制了可富集的降解微生物群落的多样性，使得电子传输成为高效脱氯的主要瓶颈[7]。

在自然地下环境中，氧化表层与还原深层之间的氧化还原梯度可以驱动铁矿物与微生物之间的短距离“电子跳跃”，形成方向性的长距离电子传输链，从而实现有机物的矿化[7]。值得注意的是，这种电子传输发生在没有长距离导电细菌的情况下，揭示了一种新颖且尚未充分探索的EET途径。这种自然形成的氧化还原梯度与水生环境中的氧化还原分区相似，表明类似的电位梯度可能通过矿物介导的氧化还原循环促进微生物间的合作。因此，我们假设电位梯度可以驱动微生物利用铁氧化物作为电子储存和穿梭介质，通过土壤和水生环境中的可逆Fe(II)/Fe(III)循环来实现这一过程。这一过程可以建立以铁氧化物为中心的IET网络，能够长距离招募多种典型的非电活性细菌参与协同脱氯。细胞外聚合物物质（EPS）中的氧化还原活性成分（如细胞色素c（Cyt c）可能进一步增强微生物与铁氧化物之间的电子交换，将电子传输范围扩展到传统电活性物种之外。铁氧化物在自然界中非常丰富，已被广泛认为是促进微生物-矿物相互作用和定向种间电子转移（DIET）的导电介质[8]、[9]。然而，铁氧化物（Fe₂O₃）作为电子穿梭体在各种非电活性细菌间介导种间电子转移的机制尚不清楚，以及这一过程如何增强微生物群落的协同脱氯作用也需要进一步研究。铁氧化物与微生物群落之间的复杂相互作用在很大程度上被忽视了，需要全面研究以加深我们对生物地球化学氧化还原过程中矿物-微生物相互作用的理解。

考虑到4-氯苯酚（4-CP）作为一种代表性的卤代芳香化合物，在染料、制药和石化工业中广泛应用[10]，因此选择它作为本研究的模型污染物。本研究综合了水化学分析、光谱和显微表征、生物电化学测量、分子生物学以及分子动力学模拟，以阐明电位梯度驱动的Fe₂O₃介导的方向性电子传输系统的机制。本研究的重点是：（1）Fe(II)/Fe(III)氧化还原循环与细胞色素c介导的细胞外电子转移（EET）之间的耦合，以及参与协同脱氯的微生物相互作用和能量代谢途径；（2）发酵菌、铁还原菌、甲烷生成菌和脱氯菌之间的种间电子传输途径，以及Fe₂O₃促进它们协同降解4-CP的机制。这些结果有望加深对矿物介导的微生物电子传输的理解，并为提高难降解卤代有机污染物的厌氧生物转化提供一种有前景的策略。

实验配置

本研究中使用的Fe₂O₃纳米颗粒（35-45 nm）是通过水热法合成的，浓度为100 mg/L [11]。Fe₂O₃纳米颗粒的详细合成步骤见文本S1。反应器的种子污泥来自中国南京一家污水处理厂（WWTP）的厌氧池，初始污泥浓度为8.0 g/L（MLSS）。在整个实验期间，温度和溶解氧（DO）水平保持稳定

电位梯度驱动的Fe₂O₃增强4-CP去除和有机物转化

为了评估4-CP的非生物吸附作用，进行了Fe₂O₃对照实验。单独使用Fe₂O₃（100 mg/L）在24小时内仅吸附了1.05 ± 0.3 mg/L的4-CP，占初始浓度（25 mg/L）的4.2 ± 1.2%。这表明物理吸附在4-CP去除中的作用可以忽略不计。在另一个使用热灭活污泥的对照实验中，含有Fe₂O₃（100 mg/L）和污泥（8 g/L）的系统仅实现了6.65 ± 1.6%的去除率（图S2）。这一略微较高的去除率

结论

本研究提出了一种创新途径，其中铁氧化物激活了微生物间的通信，增强了能量代谢。构建的Fe₂O₃介导的方向性电子传输系统利用电位梯度作为驱动力，使Fe₂O₃促进IET，从而增强了微生物群落中对4-CP的协同降解。Fe(II)/Fe(III)氧化还原循环与细胞色素c介导的EET链相结合，不仅有效

环境意义

本研究提出了一种Fe₂O₃介导的方向性电子传输系统，作为有效去除含氯苯酚废水的方法。电位梯度促进了铁的氧化还原循环与细胞色素c的结合，形成了高效的IET通道，激活了微生物内的协同代谢。该系统克服了电活性微生物典型的有限EET距离问题。观察到电子供应和吸收的改善，分子动力学模拟也证实了这一点

CRediT作者贡献声明

桂宁远：数据整理。侯成：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。王子君：撰写 – 初稿，可视化。沈金友：撰写 – 审稿与编辑，监督。江新柏：形式分析。王一轩：可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52200099）、国家重点研发计划（编号2021YFA1201704）、中央高校基本科研业务费（编号30924010939）以及江西省持久性污染物防治与资源再利用重点实验室（编号2023SSY02061）的资助。