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Enhanced Microbial Ferrihydrite Reduction by Pyrogenic Carbon: Impact of Graphitic Structures

铁酸盐 舍瓦内拉 化学 电子转移 氧气 氧化还原 化学工程 无机化学 光化学 有机化学 吸附 遗传学 生物 工程类 细菌
作者
Wentao Yu,Chiheng Chu,Baoliang Chen
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (1): 239-250 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c04440
摘要

Electron-shuttling agents such as pyrogenic carbon (PC) can mediate long-distance electron transfer and play numerous key roles in aquatic and soil biogeochemical processes. The electron-shuttling capacity of PC relies on both the surface oxygen-containing functional groups and bulk graphitic structures. Although the impacts of oxygen-containing functional groups on the electron-shuttling performance of PC are well studied, there remains insufficient understanding on the function of graphitic structures. Here, we studied the functions of PC in mediating microbial (Shewanella oneidensis MR-1) reduction of ferrihydrite, a classic and geochemically important soil redox process. The results show that PC enhanced microbial ferrihydrite reduction by 20-115% and the reduction rates increased with PC pyrolysis temperature increasing from 500 to 900 °C. For PC prepared at low temperature (500-600 °C), the electron-shuttling capacity of PC is mainly attributed to its oxygen-containing functional groups, as indicated by a 50-60% decline in the ferrihydrite reduction rate when PC was reduced under a H2 atmosphere to remove surface oxygen-containing functional groups. In stark contrast, for PC prepared at higher temperature (700-900 °C), the formation of PC graphitic structures was enhanced, as suggested by the higher electrical conductivity; accordingly, the graphitic structure exhibits greater importance in shuttling electrons, as demonstrated by a minor decline (10-18%) in the ferrihydrite reduction rate after H2 treatment of PC. This study provides new insights into the nonlinear and combined role of graphitic structures and oxygen-containing functional groups of PC in mediating electron transfer, where the pyrolysis temperature of PC acts as a key factor in determining the electron-shuttling pathways.
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