電子穿梭體及其介導(dǎo)的環(huán)境與地球化學(xué)過(guò)程研究進(jìn)展

張玉龍，陳雪麗, ，吳云當(dāng) *

1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；3.華南土壤污染控制與修復(fù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東 廣州 510650

在傳統(tǒng)土壤化學(xué)研究當(dāng)中，腐殖質(zhì)參與的吸附、絡(luò)合與共沉淀等物理化學(xué)行為得到了廣泛關(guān)注。但 1996年，關(guān)注的熱點(diǎn)得到了一次拓展，原因在于，Lovley et al.（1996）發(fā)現(xiàn)，腐殖質(zhì)還能夠作為電子穿梭體，介導(dǎo)微生物向細(xì)胞外部的電子轉(zhuǎn)移，從而參與微生物的胞外呼吸過(guò)程。該過(guò)程左右著固相金屬礦物的氧化還原（Myers et al.，1988；Hegler et al.，2008），并影響其次生礦物的形成與演變（Bae et al.，2013）。更重要的是，這個(gè)過(guò)程與地球表層碳、氮元素循環(huán)（Canfield et al.，2010；Kappler et al.，2010；Friedrich et al.，2014）、有機(jī)污染物降解（Feng et al.，2010；Chen et al.，2013）以及重金屬遷移轉(zhuǎn)化（Borch et al.，2010；Gustave et al.，2020）密切關(guān)聯(lián)?？梢哉f(shuō)，微生物厭氧呼吸驅(qū)動(dòng)的氧化還原過(guò)程，是聯(lián)系不同圈層物質(zhì)循環(huán)與能量交換的重要紐帶（宋長(zhǎng)青等，2013；賀紀(jì)正等，2015）。

從此，以腐殖質(zhì)為代表的電子穿梭體逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，微生物驅(qū)動(dòng)的元素生物地球化學(xué)循環(huán)得到了更進(jìn)一步的重視。近年來(lái)，隨著人們對(duì)穿梭行為認(rèn)識(shí)的不斷深化，其研究也逐步從簡(jiǎn)單體系的分子機(jī)制拓展至復(fù)雜體系的環(huán)境效應(yīng)與環(huán)境過(guò)程（Chen et al.，2017）。雖然目前已有少量綜述針對(duì)穿梭行為進(jìn)行了歸納（馬金蓮等，2015），但缺乏系統(tǒng)分析穿梭體參與環(huán)境與地球化學(xué)過(guò)程的評(píng)述。因此，本論文將以自然界存在的幾種典型電子穿梭體為核心要素，系統(tǒng)闡述不同類型穿梭體的結(jié)構(gòu)特征和性質(zhì)差異，綜述幾種穿梭體的研究與發(fā)展歷程。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合最新進(jìn)展，深入分析穿梭體介導(dǎo)的環(huán)境過(guò)程與地球化學(xué)過(guò)程，探討穿梭體在地球表層系統(tǒng)中產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)與生態(tài)效應(yīng)，從而為穿梭過(guò)程的進(jìn)一步研究提供思考依據(jù)。

1 自然界存在的典型電子穿梭體

1.1 腐殖質(zhì)

腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成（竇森，2010），是自然界天然存在的最典型電子穿梭體。作為土壤中代表性的有機(jī)組分，腐殖質(zhì)能夠發(fā)生活躍的吸附、絡(luò)合、配位等非生物反應(yīng)（Hong et al.，2015；Shi et al.，2016；Wang et al.，2019）。但近20年來(lái)發(fā)現(xiàn)，腐殖質(zhì)還能夠作為末端電子受體支持Geobactermetallireducens等微生物的胞外呼吸（Lovley et al.，1996），從而揭開(kāi)了腐殖質(zhì)參與微生物代謝研究的序幕，研究者對(duì)腐殖質(zhì)的關(guān)注也從單純的物理化學(xué)反應(yīng)拓展至其微生物電子穿梭功能。

腐殖質(zhì)富含醌基（Schnitzer et al.，1972），Lovley et al.（1996）發(fā)現(xiàn)，腐殖質(zhì)的醌基能夠接受微生物胞外呼吸產(chǎn)生的電子，是參與胞外呼吸的重要官能團(tuán)。隨后，Scott et al.（1998）用順磁共振確證了這個(gè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)半醌自由基是腐殖質(zhì)參與微生物胞外電子傳遞的主要中間產(chǎn)物，且證實(shí)半醌的含量與腐殖質(zhì)的電子接收能力直接相關(guān)，從而首次提供了醌參與胞外電子傳遞的直接證據(jù)。醌被還原生成半醌自由基，進(jìn)一步獲取電子則生成氫醌，該過(guò)程屬于可逆反應(yīng)，因而能夠循環(huán)往復(fù)，介導(dǎo)并加速微生物與礦物間的電子轉(zhuǎn)移。可見(jiàn)，醌類基團(tuán)是腐殖質(zhì)作為穿梭體的重要結(jié)構(gòu)特征，在隨后的一二十年里，醌也被視為“類腐殖質(zhì)”用于腐殖質(zhì)的穿梭機(jī)制研究（Wolf et al.，2009）。但醌基并不是腐殖質(zhì)唯一的氧化還原活性基團(tuán)，Ratasuk et al.（2007）對(duì)腐殖酸和富里酸的活性基團(tuán)做了進(jìn)一步鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所測(cè)樣品參與反應(yīng)的3個(gè)關(guān)鍵位點(diǎn)當(dāng)中，兩個(gè)含有醌類結(jié)構(gòu)，而另一個(gè)則與醌無(wú)關(guān)。在不同樣品當(dāng)中，非醌類基團(tuán)貢獻(xiàn)了21%—56%的電子接收容量。而 Hernández-Montoya et al.（2012）也獲得了相似的結(jié)果。由此可見(jiàn)，腐殖質(zhì)的穿梭過(guò)程是一個(gè)多官能團(tuán)參與的復(fù)雜過(guò)程。

由于醌和非醌基團(tuán)均對(duì)電子傳遞產(chǎn)生了貢獻(xiàn)，這使得腐殖質(zhì)的電子穿梭能力并不能像純化學(xué)物質(zhì)一樣可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電極電位來(lái)做判定。為了構(gòu)建一種統(tǒng)一的方法來(lái)界定其電子穿梭能力的強(qiáng)弱，2007年，Bauer et al.（2007）提出了電子接收容量（Electron acceptor capacity，EAC）和電子供給容量（Electron donor capacity，EDC）的概念，構(gòu)建了以電化學(xué)還原配合鋅和硫化氫還原測(cè)試EAC、以三價(jià)鐵氧化測(cè)試EDC的腐殖質(zhì)電子傳遞容量測(cè)試方法。利用這種方法，他們獲取了兩種不同腐殖質(zhì)在 pH 4.5—8之間的電子傳遞容量，發(fā)現(xiàn)了腐殖質(zhì) EDC隨pH下降而下降的規(guī)律。Bauer et al.（2007）的方法雖然實(shí)現(xiàn)了EDC和EAC的測(cè)試，但是其方法相對(duì)較難實(shí)施，測(cè)試時(shí)間也較長(zhǎng)。為了使測(cè)試變得簡(jiǎn)單可行，Aeschbacher et al.（2010）首創(chuàng)了一套標(biāo)準(zhǔn)的腐殖質(zhì)EAC與EDC電化學(xué)測(cè)試裝置（圖1），并在原有方法的基礎(chǔ)上，利用 Diquat dibromidemonohydrate（ DQ ） 和 2, 2′-azino-bis（3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid）diammonium salt（ABTS）兩種物質(zhì)作為反應(yīng)介體，實(shí)現(xiàn)了固態(tài)腐殖質(zhì)的EAC與EDC電化學(xué)分析。由于該方法簡(jiǎn)單易行，在近 10年里，成為了腐殖質(zhì)電子穿梭容量的重要測(cè)試手段，為腐殖質(zhì)穿梭過(guò)程研究提供了諸多關(guān)鍵證據(jù)（Yuan et al.，2017；Klüpfel et al.，2014）。

圖1 腐殖質(zhì)電子傳遞容量的電化學(xué)測(cè)試方法Fig.1 Electrochemical approach to study the electron transfer capacity of humics

1.2 硫單質(zhì)

硫單質(zhì)介導(dǎo)的氧化鐵還原過(guò)程直至 2014年才被發(fā)現(xiàn)（Flynn et al.，2014）。硫穿梭是與腐殖質(zhì)和醌截然不同的一類穿梭體，它主要在堿性條件下發(fā)生。中性條件下，鐵氧化物是胞外呼吸微生物最重要的電子受體之一，因?yàn)榈乇碇需F含量豐富，易于獲取。但是，鐵呼吸需要大量氫離子參與，導(dǎo)致pH對(duì)其影響顯著。以針鐵礦為例，針鐵礦接受電子被完全還原成二價(jià)鐵，其半反應(yīng)需要 24個(gè)氫離子參與，如方程（1）所示：

若微生物以乙酸作為電子供體，乙酸還原過(guò)程中可產(chǎn)生9個(gè)氫離子：

也就是說(shuō)，以針鐵礦作為電子受體時(shí)，氧化1 mol乙酸需消耗環(huán)境中15 mol氫離子。若環(huán)境pH上升，氫離子濃度銳減，根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算可知，微生物通過(guò)鐵呼吸所獲得的能量將急劇下降。

而單質(zhì)硫的還原反應(yīng)氫離子消耗少，受pH影響較弱，如方程（3）所示：

因此，當(dāng)pH大于7之后，鐵呼吸獲取的能量開(kāi)始小于硫呼吸。由于多數(shù)鐵還原菌同時(shí)具有硫還原功能，硫鐵競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致在pH 8—10的堿性條件下，微生物將優(yōu)先選擇硫作為電子受體（圖2）。硫還原生成的負(fù)二價(jià)硫易與三價(jià)鐵發(fā)生非生物反應(yīng)，將鐵氧化物還原，而負(fù)二價(jià)硫則再次被氧化成硫單質(zhì)，完成電子穿梭（Friedrich et al.，2014；Flynn et al.，2014）。

圖2 硫穿梭介導(dǎo)的胞外電子傳遞Fig.2 Sulfur mediated EET

已有結(jié)果表明，在pH=9的條件下，S.oneidensisMR-1的鐵還原變得極其微弱，如果有單質(zhì)硫存在，其鐵還原能力可再次激活；但使用缺失硫還原能力的△prsA突變菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，單質(zhì)硫的加入對(duì)鐵還原卻不產(chǎn)生影響，從而給出了硫穿梭介導(dǎo)鐵還原的直接證據(jù)。微生物還原生成的負(fù)二價(jià)硫也可與二價(jià)鐵發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生黃鐵礦（FeS），從而改變鐵的賦存形態(tài)（Flynn et al.，2014）（圖3），因此，在含硫的沉積物環(huán)境中，硫介導(dǎo)的鐵還原對(duì)鐵的轉(zhuǎn)變貢獻(xiàn)顯著（Hansel et al.，2015）。Flynn et al.（2014）認(rèn)為，在太古代和古元古代，堿性海洋環(huán)境大量存在，兼具鐵呼吸與硫呼吸功能的微生物可取得更好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這解釋了為什么許多胞外呼吸微生物含有兩套相對(duì)獨(dú)立的鐵呼吸與硫呼吸基因。由于硫穿梭的存在，若微生物由于呼吸鐵而導(dǎo)致環(huán)境pH上升，硫呼吸的途徑可隨之啟用，在高pH條件下繼續(xù)繁殖，從而拓寬了菌種的生存范圍。

圖3 生物炭介導(dǎo)的胞外電子傳遞Fig.3 Biochar mediated EET

1.3 生物炭

生物炭本身不屬于自然界天然存在的化學(xué)物質(zhì)，但近些年來(lái)，隨著生物炭在農(nóng)田污染治理過(guò)程中的廣泛應(yīng)用，稻田系統(tǒng)中人為輸入了大量生物炭。隨著時(shí)間的推移，這些炭材料成為了稻田土壤不可忽視的一部分，而它們?cè)谖焦潭ㄖ亟饘?、調(diào)節(jié)土壤碳含量的同時(shí)，也發(fā)揮著電子穿梭體的功能。因此，生物炭是一類受人為調(diào)控的存在于自然界的典型穿梭體。

生物炭的電子穿梭功能于2014年被首次報(bào)道，Kappler et al.（2005）在研究中發(fā)現(xiàn)，5 g·L?1的生物炭能夠加速希瓦氏菌的鐵還原，且使得原本應(yīng)生成的磁鐵礦（Fe3O4）轉(zhuǎn)變?yōu)榱肆忤F礦（FeCO3）。生物炭作為穿梭體的特點(diǎn)在于，它是固態(tài)的，且本身具有一定的導(dǎo)電性，因此有別于可溶性的醌類；而且它屬于人為燒制，因而其結(jié)構(gòu)特征與燒制條件和原材料密切相關(guān)。Klüpfel et al.（2014）對(duì)生物炭燒制溫度與其電子接收容量（EAC）和電子供給容量（EDC）的關(guān)系做了系統(tǒng)研究，當(dāng)燒制溫度在 200—700 ℃范圍內(nèi)時(shí)，生物炭的EAC和EDC均呈現(xiàn)出隨溫度上升而先上升后下降的趨勢(shì)，即 400—500 ℃燒制的生物炭EAC與EDC最高。這主要原因在于，低溫碳化不完全，而高溫徹底碳化則損失了能夠參與氧化還原反應(yīng)的官能團(tuán)。分別以高羊茅草和美國(guó)黃松為原材料燒制生物炭，發(fā)現(xiàn)高羊茅草生物炭的電子接收容量（EAC）和電子供給容量（EDC）高于美國(guó)黃松生物炭，因此，材料本身含有的官能團(tuán)類型也會(huì)影響其性質(zhì)（Klüpfel et al.，2014）。

但生物炭作為穿梭體的研究存在一個(gè)重要的疑問(wèn)，在多數(shù)研究中，生物炭發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電化學(xué)信號(hào)并沒(méi)有典型的可溶性醌類那樣明顯。例如，在循環(huán)伏安測(cè)試中，醌類物質(zhì)AQDS具有非常清晰且相對(duì)較為對(duì)稱的氧化還原峰（Wu et al.，2014），這意味著它具有很好的氧化還原活性和可逆性，但生物炭的反應(yīng)峰則往往相對(duì)較弱（Zhang et al.，2019）?？墒?，在促進(jìn)鐵還原的能力方面，卻有研究表明生物炭超過(guò)AQDS（Wu et al.，2020a）。而且生物炭不僅能提高微生物的鐵還原速率，還可增大其反應(yīng)程度，即可以提高氧化鐵最終的還原百分比（Kappler et al.，2005；Wu et al.，2020a）。弱的氧化還原信號(hào)卻對(duì)應(yīng)強(qiáng)的鐵還原促進(jìn)行為。雖不可否認(rèn)生物炭具有穿梭功能，但其對(duì)鐵還原的加速效應(yīng)是否主要由穿梭行為貢獻(xiàn)，是否有其他機(jī)制在其中起作用，值得作進(jìn)一步探討（圖3）。近年來(lái)對(duì)于天然熱解炭的研究表明，對(duì)于 700—800 ℃高溫?zé)峤獾奶慷?，材料本身的?dǎo)電性對(duì)電子傳遞起到了重要的貢獻(xiàn)（Sun et al.，2017）。對(duì)于生物炭而言是否也如此，值得進(jìn)一步定量闡明。

2 穿梭體介導(dǎo)的環(huán)境與地球化學(xué)過(guò)程

上述穿梭體廣泛存在于自然界，是微生物厭氧氧化還原過(guò)程的重要參與者，它們的存在對(duì)土壤、沉積物和濕地等生境的碳氮循環(huán)、鐵循環(huán)以及污染物的遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了不可忽視的影響。

2.1 電子穿梭體參與的碳氮循環(huán)過(guò)程

在微生物驅(qū)動(dòng)的碳氮循環(huán)過(guò)程中，穿梭體能夠調(diào)節(jié)微生物厭氧呼吸的強(qiáng)弱，其介導(dǎo)的種間電子轉(zhuǎn)移可影響物種與物種間的能量傳遞，因而起著重要作用。氮在土壤中的轉(zhuǎn)化主要包括如下步驟：銨根離子→硝酸鹽→亞硝酸鹽→氧化亞氮→氮?dú)?。穿梭體能夠參與銨根離子向硝酸鹽轉(zhuǎn)化的微生物鐵銨氧化過(guò)程。在該過(guò)程中，微生物利用氧化鐵作為厭氧呼吸的電子受體完成銨根的氧化，生物炭和醌類穿梭體的存在能夠加速微生物與氧化鐵之間的電子傳遞，促進(jìn)其胞外呼吸行為，從而加快鐵銨氧化菌的代謝，增加銨根離子的氧化速率。雖然鐵銨氧化在整個(gè)氨氧化過(guò)程中的占比較小，但在Zhou et al.（2016）研究中，穿梭體的存在使得鐵氨氧化本身造成的氮損失增加了17%—340%，也算是一個(gè)不可忽視的貢獻(xiàn)。此外，穿梭體的存在能夠顯著降低土壤中氧化亞氮的生成。在Cayuela et al.（2013）針對(duì) 14種農(nóng)用地土壤進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的施加使得各個(gè)處理氧化亞氮的排放減少10%—90%，他們認(rèn)為這主要是因?yàn)樯锾恳噪娮哟┧蟮男问郊铀倭穗娮酉蚍聪趸膫鬟f，增強(qiáng)了氧化亞氮向氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化過(guò)程而造成的。Yuan et al.（2019）為此猜想提供了直接的證據(jù)，他們利用雙氧水對(duì)生物炭進(jìn)行預(yù)處理，削減其電子穿梭能力作為對(duì)照組，來(lái)探究生物炭電子穿梭行為對(duì)氧化亞氮排放的影響。結(jié)果顯示，普通生物炭能夠削減氧化亞氮的排放，而去除了穿梭能力的生物炭卻沒(méi)有此效果，進(jìn)一步論證了穿梭過(guò)程在氮循環(huán)中的作用。

此外，在微生物驅(qū)動(dòng)的碳循環(huán)過(guò)程中，穿梭體可顯著影響二氧化碳向甲烷的轉(zhuǎn)變。由于電子穿梭體本質(zhì)上是一種能夠可逆氧化還原的電子受體，因而它們具有電子受體的性質(zhì)。當(dāng)土壤中腐殖質(zhì)濃度較高時(shí)，它們自身能夠大量捕獲微生物產(chǎn)生的電子，成為微生物產(chǎn)生電子重要的“匯”，而下游微生物則失去了獲得此電子的機(jī)會(huì)。受此過(guò)程影響最典型的微生物是產(chǎn)甲烷菌。產(chǎn)甲烷菌主要通過(guò)微生物的種間電子傳遞獲取能量，在濕地環(huán)境中，腐殖質(zhì)可捕獲原本將傳遞給產(chǎn)甲烷菌的電子，減少甲烷的產(chǎn)生（Blodau et al.，2012），改變濕地二氧化碳與甲烷的生成比例（Keller et al.，2009）。由于濕地土壤隨季節(jié)變化存在干濕交替，還原態(tài)腐殖質(zhì)能夠在水位下降而氧氣進(jìn)入時(shí)再次被氧化，恢復(fù)電子受體的性質(zhì)。在這個(gè)過(guò)程中，氧氣作為最終的電子受體獲得了微生物傳出的電子，原本用于甲烷產(chǎn)生的電子在有氧環(huán)境中被間接地消耗掉。該過(guò)程對(duì)濕地環(huán)境碳排放產(chǎn)生了重要影響，據(jù)粗略估算，假定每克固態(tài)腐殖質(zhì)的平均EAC為0.05 mmol e?，每克可溶性腐殖質(zhì)的平均EAC為1 mmol e?，在泥炭地中，腐殖質(zhì)每年對(duì)氫營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)甲烷過(guò)程的抑制作用將達(dá)到 190000 mol·km?2（以 CH4計(jì)），這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)超過(guò)北歐北部泥炭地單年的甲烷釋放量（Klüpfel et al.，2014）。這個(gè)計(jì)算雖不夠精細(xì)，但足以說(shuō)明，以腐殖質(zhì)為代表的電子穿梭體在碳循環(huán)和全球氣候變化中起著不可忽視的作用。

2.2 電子穿梭體參與的鐵循環(huán)過(guò)程

在稻田、沉積物等環(huán)境中，微生物厭氧呼吸是鐵元素生物地球化學(xué)循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)力（吳云當(dāng)?shù)龋?016；胡敏等，2014），而穿梭體是這個(gè)過(guò)程的重要參與者。電子穿梭體對(duì)鐵循環(huán)的影響主要存在兩個(gè)方面，一是加速鐵氧化物的還原溶解，二是促使其晶相轉(zhuǎn)化的發(fā)生，改變含鐵礦物本身的晶體結(jié)構(gòu)。

腐殖質(zhì)作為穿梭體加速三價(jià)鐵的還原的現(xiàn)象于1996年被發(fā)現(xiàn)。隨后，O’Loughlin（2008）系統(tǒng)地探究了典型鐵還原菌ShewanellaputrefaciensCN32的纖鐵礦還原過(guò)程，發(fā)現(xiàn)包括醌類、吩嗪、吩噁嗪、黃素等在內(nèi)的 15種電子穿梭體都能夠有效加速二價(jià)鐵的還原生成，其加速效應(yīng)與穿梭體本身的氧化還原電位密切相關(guān)。在有穿梭體參與時(shí)，微生物鐵還原的各步驟反應(yīng)速率均高于無(wú)穿梭體時(shí)的反應(yīng)。在Geobacter的研究中顯示，相比于微生物對(duì)鐵氧化物的還原速率，微生物還原腐殖質(zhì)的速率要高出 27倍，而還原態(tài)腐殖質(zhì)與水鐵礦的反應(yīng)的速率則比微生物直接還原水鐵礦的速率高出 7倍（Jiang et al.，2008）。因此，單從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度考慮，穿梭是非常利于氧化鐵還原的。但該反應(yīng)在自然界發(fā)生的前提是穿梭體必須達(dá)到足夠的濃度，只有當(dāng)可溶性腐殖質(zhì)濃度大于5—10 mg L?1（以C計(jì)）時(shí)，穿梭對(duì)鐵還原的加速效應(yīng)才會(huì)產(chǎn)生（Jiang et al.，2008；O’Loughlin，2008）。因此，沉積物中腐殖質(zhì)的濃度將直接決定穿梭過(guò)程對(duì)鐵還原的影響。

除還原速率外，穿梭體可進(jìn)一步改變氧化鐵的還原程度以及還原產(chǎn)物的晶型。在穿梭體還原纖鐵礦的研究中發(fā)現(xiàn)，穿梭體的類型對(duì)纖鐵礦的轉(zhuǎn)化速率和次生礦物類型均存在顯著影響。當(dāng)醌類作為穿梭體時(shí)，亞鐵的生成速率比黃素存在時(shí)更快，而且醌的參與會(huì)導(dǎo)致綠銹的生成，但黃素條件下卻形成針鐵礦（Bae et al.，2013）。與不含穿梭體的情形相比，醌類有利于磁鐵礦的形成，即加速氧化鐵從低結(jié)晶度向高結(jié)晶度轉(zhuǎn)化（Zachara et al.，2011）。但實(shí)際上，穿梭體對(duì)氧化鐵晶相轉(zhuǎn)化的影響并不是直接作用，而是通過(guò)二價(jià)鐵的產(chǎn)生起間接作用。二價(jià)鐵的催化作用是導(dǎo)致氧化鐵發(fā)生晶相轉(zhuǎn)化的重要原因，水鐵礦向赤鐵礦、針鐵礦和磁鐵礦的反應(yīng)均需要二價(jià)鐵的參與（Han et al.，2018）。因此，溶解態(tài)二價(jià)鐵的量是影響氧化鐵發(fā)生晶相轉(zhuǎn)化的重要因子。穿梭體的存在可以增強(qiáng)微生物的鐵還原的速率，提高溶解態(tài)二價(jià)鐵在環(huán)境中的占比，從而間接促進(jìn)亞鐵催化的晶相轉(zhuǎn)化過(guò)程的發(fā)生，加速礦物結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變?？梢?jiàn)，自然界含鐵礦物的賦存形態(tài)與穿梭過(guò)程密切相關(guān)。

2.3 電子穿梭體參與的污染物轉(zhuǎn)化過(guò)程

穿梭能夠直接作用于污染物，改變污染物的賦存狀態(tài)。穿梭體可與各類有毒金屬元素發(fā)生直接作用，改變其價(jià)態(tài)。天然腐殖質(zhì)可將微生物的鈾還原速率提高 10倍，而還原態(tài)鈾則能與腐殖質(zhì)結(jié)合，形成腐殖質(zhì)——鈾復(fù)合物，使 U(Ⅳ)變得更易被氧氣氧化。若在污染場(chǎng)地的地下水中注入腐殖質(zhì)，可顯著增強(qiáng)鈾的氧化還原循環(huán)過(guò)程，因而穿梭行為曾被寄望作為土壤鈾污染治理的調(diào)控手段（Gu et al.，2005）；穿梭體還可以直接介導(dǎo)微生物與砷之間的電子傳遞，促進(jìn)砷還原，增加砷的移動(dòng)性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)（Qiao et al.，2019），且可促進(jìn) Cr(Ⅵ)、Pu(Ⅳ)的生物還原，改變其溶解性（Plymale et al.，2012；Liu et al.，2016a；Han et al.，2017）。此外，固態(tài)腐殖質(zhì)（如胡敏素）捕獲的電子也可傳遞給有機(jī)污染物。例如，在五氯酚（Pentachlorophenol，PCP）的生物降解過(guò)程中，穿梭體能夠加速其脫鹵反應(yīng)（Zhang et al.，2012），而AQDS則有報(bào)道表明可參與微生物對(duì)滴滴涕（Dichlorodiphenyl trichloroethane，DDT）的分解過(guò)程（Chen et al.，2013）。因此，穿梭體對(duì)污染物的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程具有直接的催化作用。

除了直接作用，更重要的在于，穿梭體能夠通過(guò)改變土壤礦物的形態(tài)而影響污染物的環(huán)境行為。礦物是土壤中重要的附著界面，礦物導(dǎo)致的礦物還原溶解和晶相轉(zhuǎn)化決定了其表面附著物的固存行為（Hu et al.，2018）。因此，污染物的釋放、遷移和再固定與礦物的微生物還原密切相關(guān)。砷是我國(guó)農(nóng)田土壤的典型污染物，腐殖質(zhì)等穿梭體加速鐵還原的同時(shí)，致使氧化鐵礦物表面砷釋放增加，導(dǎo)致砷的生物有效性增強(qiáng)，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增大（Qiao et al.，2019）。生物炭也有相似效果，生物炭是土壤鎘污染鈍化劑，對(duì)穿梭過(guò)程的研究使人們意識(shí)到，利用生物炭進(jìn)行土壤鎘污染調(diào)理的同時(shí)，砷的活性會(huì)隨之發(fā)生變化（Qiao et al.，2018）。但穿梭并不是在任何條件下都會(huì)增強(qiáng)砷的毒性，穿梭使得二價(jià)鐵釋放增加，生成的亞鐵可進(jìn)一步催化鐵氧化物的晶相轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生結(jié)晶度更高的磁鐵礦（Liu et al.，2016c；Han et al.，2018），在這個(gè)過(guò)程中，砷被礦物再次固定，甚至進(jìn)入晶格，變?yōu)榉€(wěn)定、低毒的形態(tài)（Hu et al.，2020）。可見(jiàn)，礦物的還原溶解增加了砷的風(fēng)險(xiǎn)，但生物成因的亞鐵促進(jìn)砷的再固定，反過(guò)來(lái)降低了砷的風(fēng)險(xiǎn)（Shi et al.，2020）。如果能有效控制鐵氧化物的轉(zhuǎn)化方向，促使整個(gè)反應(yīng)向低毒、環(huán)境友好的方向發(fā)展，則有望構(gòu)建基于微生物胞外呼吸的土壤有毒金屬調(diào)控新方法。因此，如何通過(guò)鐵的氧化還原循環(huán)對(duì)砷進(jìn)行有效控制，成為了農(nóng)田砷污染治理待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

2.4 電子穿梭體對(duì)微生物產(chǎn)生的影響

除了作用于元素循環(huán)過(guò)程，穿梭體還能反作用于微生物，改變菌群的代謝繁殖，從而影響生物膜的形成和群落的結(jié)構(gòu)。研究表明，穿梭體可誘導(dǎo)電活性微生物S.oneidensisMR-1向電子受體表面移動(dòng)（Li et al.，2012），并刺激其生物膜的形成（Wu et al.，2020b）。Wu et al.（2020）首次發(fā)現(xiàn)穿梭體可強(qiáng)烈促進(jìn)S.oneidensisMR-1 的成膜過(guò)程，50 μmol·L?1穿梭體即可使其生物膜生長(zhǎng)量增加 30余倍，且胞外呼吸基因的表達(dá)顯著上調(diào)。其原因在于，相比于固態(tài)礦物，可溶的電子穿梭體更易被微生物利用，穿梭體的存在能夠在固態(tài)受體附近形成利于微生物生長(zhǎng)的微環(huán)境，使得生物膜在受體表面大量繁殖。自然界存在大量的“弱電子傳遞菌”（Doyle et al.，2018），它們不太“擅長(zhǎng)”直接向固態(tài)電子受體傳遞電子，卻能夠順利將電子傳遞給穿梭體；大量革蘭氏陽(yáng)性菌的胞外呼吸也需要借助穿梭過(guò)程來(lái)進(jìn)行（Doyle et al.，2018）。如果說(shuō)穿梭體對(duì)于這部分微生物而言是至關(guān)重要的，那么，在稻田、底泥、沉積物中，有多少微生物是因?yàn)榇┧篌w的存在而生存下來(lái)的呢？穿梭過(guò)程的微生物生態(tài)學(xué)意義值得被進(jìn)一步探討。

實(shí)際上，已有研究表明，土壤中腐殖質(zhì)等穿梭體也能夠促進(jìn)胞外呼吸微生物的生物膜形成（Yuan et al.，2017）。但與純菌相比，土壤微生物群落復(fù)雜，不同微生物對(duì)穿梭體的依賴程度不同，不同性質(zhì)的穿梭體將有利于不同類型微生物的生長(zhǎng)。生物炭作為固態(tài)穿梭體，可顯著增加土壤中Geobacter屬的豐度（Qiao et al.，2018），但AQDS作為小分子可溶性穿梭體，卻使得Geobacter的豐度降低（Zhou et al.，2016）。其可能的原因在于，并不是所有土壤微生物均能直接利用固態(tài)電子受體進(jìn)行胞外呼吸，AQDS作為典型的可溶性穿梭體，能夠支持這些弱電子傳遞微生物的生長(zhǎng)，因而降低了Geobacter的占有量；而生物炭是固態(tài)穿梭體，難以支撐它們的生長(zhǎng)，因而其功能也不同。菌群改變的同時(shí)，微生物的功能類型也隨著發(fā)生變化，當(dāng)Geobacter豐度增加時(shí)，由于大多數(shù)Geobacter具有砷還原功能，土壤中的砷還原過(guò)程顯著加速，從而間接地改變砷的賦存狀態(tài)（Qiao et al.，2019）。因此，是否能夠通過(guò)穿梭體調(diào)控微生物菌群，間接改變污染物的環(huán)境行為，是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。

3 展望

胞外呼吸微生物的電子穿梭過(guò)程于 1996年被發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)二十余年的探索，電子穿梭的化學(xué)機(jī)制已相對(duì)清晰，但在復(fù)雜的地表物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中，穿梭過(guò)程的作用范圍和貢獻(xiàn)大小尚不完全清楚。因此，在今后的研究中，如下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決：（1）建立在復(fù)雜環(huán)境中研究與表征微生物電子穿梭行為的方法，尤其是評(píng)估穿梭行為貢獻(xiàn)大小的方法，將純菌與純培養(yǎng)體系形成的理論推演至復(fù)雜體系；（2）界定電子穿梭體的作用范圍，明確穿梭體起關(guān)鍵作用的生境條件，系統(tǒng)評(píng)估穿梭體在湖泊、河流、濕地、稻田、旱地等系統(tǒng)中起作用的廣度與深度；（3）確定電子穿梭行為對(duì)不同過(guò)程的貢獻(xiàn)大小，明確以電子穿梭體為主進(jìn)行的環(huán)境地球化學(xué)過(guò)程，尤其是在實(shí)際自然環(huán)境中，確定電子穿梭體對(duì)元素循環(huán)的實(shí)際貢獻(xiàn)；（4）闡明穿梭產(chǎn)生的微生物生態(tài)效應(yīng)，在復(fù)雜的土壤微生物群落中，穿梭體的存在影響著微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，調(diào)控著菌群的結(jié)構(gòu)與功能，但其具體的作用機(jī)制和貢獻(xiàn)大小如何，目前并不清楚；（5）由于穿梭過(guò)程與污染物的環(huán)境行為息息相關(guān)，這種微生物的調(diào)控作用是否能在土壤污染治理等領(lǐng)域得到應(yīng)用，從而拓展現(xiàn)有的污染治理思路，值得進(jìn)一步探索。穿梭是地球表層無(wú)處不在的氧化還原耦合過(guò)程，加深對(duì)電子穿梭過(guò)程的理解既有利于厘清地表元素與物質(zhì)循環(huán)的規(guī)律，同時(shí)又有望將其開(kāi)發(fā)為一種調(diào)控農(nóng)田土壤物質(zhì)循環(huán)的手段，從而在土壤污染治理領(lǐng)域得到應(yīng)用。