導(dǎo)讀
在各類溫室氣體中，甲烷的增溫潛勢是二氧化碳的25倍，其對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)可以達(dá)到20%；而來自稻田的甲烷可以占到總甲烷排放的9%-19%。近幾年，由于火成炭擁有巨大的環(huán)境修復(fù)潛力，其在包括稻田在內(nèi)環(huán)境中應(yīng)用逐漸增多。通常，火成炭中的碳骨架和表面官能團(tuán)分別對應(yīng)火成炭的導(dǎo)電性和氧化還原性?，F(xiàn)階段，研究人員對火成炭影響產(chǎn)甲烷過程的機(jī)理存有爭議。一部分研究人員認(rèn)為，火成炭的導(dǎo)電特性是介導(dǎo)產(chǎn)甲烷過程中種間電子傳遞的關(guān)鍵；但是，也有部分研究發(fā)現(xiàn)火成炭的氧化還原特性是強(qiáng)化種間電子傳遞過程的主導(dǎo)因素。因此，在產(chǎn)甲烷過程中，火成炭的兩個特性到底誰主沉浮，各自發(fā)揮何種作用？該問題亟需得到回答。
我們首先將采取的水稻土進(jìn)行產(chǎn)甲烷預(yù)實(shí)驗(yàn)，以消耗掉其中的有機(jī)質(zhì)；待不再有甲烷產(chǎn)生后，分裝到厭氧體系中進(jìn)行研究，并選擇乙醇作為唯一碳源。在上述淹水水稻土體系中，我們分兩次加入乙醇以完成兩個產(chǎn)甲烷周期，研究不同碳化溫度下制備的火成炭對甲烷產(chǎn)生和群落結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合火成炭的電化學(xué)特性，分析火成炭的導(dǎo)電性和氧化還原性對產(chǎn)甲烷過程的影響機(jī)理。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在第一個產(chǎn)甲烷周期，只有氧化還原特性最強(qiáng)的400℃火成炭促進(jìn)了甲烷的產(chǎn)生；而在第二個產(chǎn)甲烷周期，所有的火成炭對甲烷的產(chǎn)生都表現(xiàn)出相似的促進(jìn)效果，僅僅是1000℃火成炭因其較大的比表面積和吸附能力而延緩了甲烷產(chǎn)生。乙酸型產(chǎn)甲烷抑制劑（CH3F）的添加抑制了體系中大部分的產(chǎn)甲烷過程。水稻土的循環(huán)伏安分析結(jié)果表明，隨著碳化溫度的升高和導(dǎo)電性的提高，添加火成炭后體系的電化學(xué)響應(yīng)電流（氧化還原峰電流）逐漸升高，表面體系中的電子傳遞速度得以加速。
▲圖1 淹水水稻土中的第一個周期（a）和第二個周期（b）甲烷的產(chǎn)生情況；乙酸型產(chǎn)甲烷抑制劑（CH3F）的添加對上述體系中甲烷產(chǎn)生的影響（c）；火成炭添加對水稻土電化學(xué)響應(yīng)的影響（d）（來源：ScienceDirect）
此外，我們選擇水稻土循環(huán)伏安分析中的氧化峰峰電流來表征土壤的電化學(xué)響應(yīng)能力，并且分析了峰電流與相應(yīng)細(xì)菌和古菌的相對豐度之間的相關(guān)性（圖2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有電化學(xué)活性的細(xì)菌Geobacter和現(xiàn)階段報道具有可以直接或者間接接受電子潛力的古菌Methanobacterium, Methanoregula和Methanolinea與土壤的電化學(xué)響應(yīng)電流之間具有嚴(yán)格的正向線性相關(guān)關(guān)系；而乙酸型產(chǎn)甲烷古菌Methanothrix與土壤的電化學(xué)響應(yīng)之間具有明顯的負(fù)向線性相關(guān)性。以上結(jié)果表明：生物炭的導(dǎo)電性能可以改善土壤中的電子傳遞情況，并可能通過以上改變影響水稻土中的群落結(jié)構(gòu)，增加電化學(xué)細(xì)菌和古菌的含量，抑制乙酸型產(chǎn)甲烷的相對豐度。
▲圖2 火成炭添加下水稻土中相關(guān)細(xì)菌和古菌與土壤電化學(xué)響應(yīng)之間的線性關(guān)系分析圖（來源：ScienceDirect）
因此，生物炭在水稻土中的加入，一方面利用其自身的氧化還原性促進(jìn)甲烷的產(chǎn)生，發(fā)揮“短期刺激”作用；另一方面可以利用其自身的導(dǎo)電性改善土壤電子傳遞狀況，進(jìn)而調(diào)控其中的群落結(jié)構(gòu)，增加電活性細(xì)菌和古菌的豐度，將主要的甲烷產(chǎn)生途徑由乙酸型產(chǎn)甲烷向氫型產(chǎn)甲烷和電子型產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)變，發(fā)揮“長期調(diào)控”作用（圖3）。
▲圖3 火成炭對水稻土產(chǎn)甲烷過程影響的機(jī)理示意圖（來源：ScienceDirect）
參考文獻(xiàn) Peng Zhang,Jinshuo Zhang, Bo Pan, et al. The conductivity and redox properties ofpyrolyzed carbon mediate methanogenesis in paddy soils with ethanol assubstrate[J].Science of the Total Environment, 2021, 795:148906.
聯(lián)系作者: 潘波，教授，昆明理工大學(xué)
