电子储存和转移生物炭材料

Biochar由于其在碳捕获，作物生产，水质控制和环境恢复中的潜在使用，因此获得了相当大的关注。长期以来，其活动归因于其吸附性能。然而，最近的工作表明，生物炭在促进水和土壤中的非生物和微生物转化方面发挥了更大的作用，作用作为一种强大的氧化还原剂。特培志乌教授及其在特拉华大学的合作者正在调查生物炭电子储存能力与其支持污染物降解的能力和土壤和沉积物中细菌的新陈代谢。他们的发现对污染物生物地球化学有影响，可能导致发展新的和更可持续的修复方法。

生物炭是一种稳定，富含碳的固体材料，已被用于千年作为土壤调节剂，以改善土壤的物理化学性质，促进其生育能力。它可以通过称为热解的方法从各种起源的生物量获得，其中木材和其他有机材料在没有氧的情况下被加热。其结构具有高度多孔，这使其成为捕获水，金属，营养素和有机化学品的基质，以及作为微生物的栖息地。鉴于其在碳封存中的作用，生物炭也已经积极研究：热解转化在化学稳定的生物炭中，易生物降解的植物碳转化为化学稳定的生物炭，从而防止其氧化对二氧化碳。此外，Biochar可能在减少生物室内气体中发挥重要作用，从而减轻气候变化。尽管其大量的环境和技术应用，但Biochar发挥其影响的机制仍然很差。

生物炭作为主动电子转移介体
生物炭和其他黑碳物种在土壤和沉积物中普遍存在，并且在环境中有机碳的一部分显着贡献。他们在土壤中的缓慢循环碳库中发挥着重要作用，因此参加了全球碳循环。此外，它们可以充当有机和金属污染物的高效吸附剂。

直到最近，生物炭基本上被认为是一种不反应的吸附剂，大多数关于其环境影响的研究都集中在其作为各种污染物的化学惰性螯合剂的作用。与其他形式的黑碳一样，如烟灰，活性炭，石墨，碳纳米管和石墨烯，现在已经建立了生物炭，远非是污染物的被动宿主基质，而是在催化化学转化中的催化方面发挥至关重要的作用许多污染物。

Biochar可能在减少生物室内气体的过程中起重要作用，从而减轻气候变化。

生物炭发挥其催化活性的机制目前正在积极研究。似乎石墨结构和/或化学活性官能团（例如（Hydro）醌类的存在是生物炭化学活性的关键因素。在2002年至2009年至2009年期间发表的一系列文章中，邱教授和他的团队表明，黑碳的石墨结构通过在有机污染物减少期间促进电子和氢原子的运输来发挥重要作用。然而，除了促进化学还原过程之外，生物炭也可以在驾驶和调节土壤中的化学转化方面发挥更大的作用。反应性醌基团的存在使得BioChar可以可逆地存储和交换电子，从而提高材料的催化效率。

电子存储容量
首先由桑德兰·斯坦德和合作者在瑞士，电子存储容量（ESC）是BioChar的先前未被识别的性质，其可用于为生物炭的许多观察到的有益效果设计一种机制。ESC是Biochar将电子与周围环境存储和交换电子的能力。

Chiu教授和他的合作者通过化学氧化还原滴定系统地研究了生物炭的氧化还原性能，并表明Esc是所有植物的生物谱的常见性。取决于生物质源和热解条件，通过单克BioChar储存和交换超过10亿万亿的电子。特别是400-600的热解温度^O.C对于生产具有高电子接受/捐赠容量的生物触体似乎是最佳的。

微生物电子交换
在高分生物脉中存在大量醌基团的存在表明，通过作为电子供体和电子受体的作用，Biochars可以发挥支持土壤中的微生物转化。因此，这可以提供对非生物催化的机制，替代或互补，可以解释生物炭的独特氧化还原活动。

生物炭可以被视为生物可利用电子的储层，解释其在有益土壤修正过程和土壤反硝化中的关键作用。

为了测试这一假设，邱教授和他的合作者审查了基于木材的生物炭对活动的影响Geobacter Metallireducens.，一种氧化短链脂肪酸，醇和单芳族化合物的厌氧细菌。在正常情况下，该细菌使用作为电子受体的不溶性Fe（III）氧化物。邱教授的结果表明，Biochar可以在醋酸氧化中的电子受体和电子供体在减少到铵的电子供体中发挥双重作用Geobacter Metallireducens.。因此，生物炭可以被视为生物可利用的电子或电子空位的储层，这可以解释其在有益土壤修正过程和土壤反硝化中的关键作用。

土壤修复与气候控制
由于其能够促进微生物氧化和还原的能力，其可充电性质，其大ESC和其高稳定性和低迁移率，BioChar可以是用于生物降解的污染物和工程土壤修复方法的有用电子存储介质。土壤中约有20％的生物炭中的ESC。细菌可以“吃”或“呼吸”生物炭，用它作为其电子给体或受体，如Geobacter Metallireducens.，与我们消耗糖或氧气以维持自己的方式。Biochar和其他黑碳材料在全球范围内生产，每年数百万吨，它们可以在土壤和沉积物中提供重要的电子储层，在微量元素的地球化学循环中发挥关键作用，影响通过厌氧微生物生态系统的电子流量（因此，不同的温室气体生产），并控制自然和工程环境中的污染物的命运。

通过改变热解状况和原料来定制生物炭电化学性能的可能性特别吸引力。可以设计生物肢具有广泛的氧化还原容量（通过利用中间热解温度的大量醌官能团），或者通过在较高温度下产生的冷凝芳族片作用作为导电介质。这些方法可能被证明比现有的土壤恢复技术更具成本效益和可持续性。

对生物园艺的影响
除了指导环境相关性的生物征的发展之外，邱教授的调查结果强烈建议，字符和其他黑碳碳在各种生物地造理电子转移反应中发挥更大的作用，而不是先前认可。例如，土壤和沉积物中的黑色碳的无处不在与微生物在这些系统中使用它们作为厌氧呼吸中的末端电子受体的能力相关联。反过来，这可能会揭示为什么天然有机碳在“穿梭”电子和环境效应如何驱动生物体中电子转移途径的演变的基本问题。