Aromatic Nitrogen-Mediated Enhanced Mineralization of Dissolved Black Carbon through Microbial Dissimilatory Iron Reduction

化学 矿化(土壤科学) 环境化学 炭黑 溶解有机碳 铁质 生物降解 碳纤维 总有机碳 微生物 细菌 无机化学 钴
作者
Zhiyuan Zhang,Xiurui Cui,Shujun Yin,Langsha Yi,Shu Tao,Dongqiang Zhu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (23): 16618-16628
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c18731
摘要

Microbial dissimilatory iron reduction (DIR) critically influences dissolved organic matter transformation, yet the molecular mechanisms, particularly the nitrogen (N)'s role, remain unclear. Here, we compared dissolved black carbon (DBC, pyrogenic) and leached dissolved organic carbon (LDOC, biogenic) as sole electron donors during DIR. DBC produced 3-fold more ferrous iron than LDOC and achieved higher N-containing compounds mineralization (41% versus 23%), exclusively as ammonium. Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry with N near-edge X-ray absorption fine structure analysis revealed that DBC degradation targets polycyclic aromatic components rich in aromatic N, especially 5-membered rings, accounting for nearly half of dissolved organic nitrogen loss. The estimated electron flux from pyrrolic N degradation alone contributed at least 11% of the total ferrous iron production in DBC. LDOC preferentially removes labile amide N from lignin-like components. N-containing molecular formulas decreased by 51.6% in DBC versus 10.2% in LDOC. Thermodynamic calculations confirm aromatic N dominates degraded DBC. These electron-rich Lewis basic structures form stable iron coordination complexes that facilitate electron transfer and activate adjacent carbon bonds for oxidative ring-cleavage. In contrast, LDOC mineralization followed conventional carbon-centered anaerobic pathways. This study highlights previously overlooked high DBC reactivity in DIR, driven by N-mediated pathways centered on aromatic N.
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