稻田生态系统中，硝酸盐可通过反硝化作用转化为N₂O和N₂而损失，也可通过异化硝酸盐还原成铵（DNRA）途径转化为易被土壤保持和水稻吸收利用的铵态氮。由于DNRA每还原1个硝酸根需消耗8个电子，高于反硝化所需的5个电子，因而该过程常受限于电子供给不足。因此，如何增强土壤界面电子传递并将硝酸盐还原路径导向DNRA，是提高稻田氮素保蓄效率的重要科学问题。

中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心秦树平研究团队将氧化还原活性铁负载到生物炭表面，并结合电化学表征、¹⁵N同位素示踪和微生物分析展开研究。结果表明，铁负载成功构建了Fe⁰、Fe²⁺和Fe³⁺共存的活性铁相，使材料的比电容和固相电导率分别提高约1.8倍和6.0倍。¹⁵N示踪显示，铁负载生物炭使DNRA速率由0.29提高至0.94 mg ¹⁵NH₄⁺-N kg⁻¹ d⁻¹，提高3.2倍；DNRA占总硝酸盐还原的比例由5.4%升至19.7%，而N₂O累积量则由1.36降至0.19 mg N kg⁻¹。

图1  铁负载生物炭增强电子穿梭并促进稻田土壤DNRA的机制示意图

铁负载生物炭提高了nrfA基因表达并富集DNRA相关微生物，其作用强于等铁质量的硫酸亚铁或纳米零价铁，表明活性铁与导电碳骨架存在协同效应。本研究提出，铁-碳耦合可强化固相电子传递并将更多电子通量导向DNRA途径；电子平衡分析支持了一个可循环的电子穿梭过程，其中Fe(II)/Fe(III)循环是电子供应的关键角色。该研究为通过调控电子流设计兼顾氮素保留与N₂O减排的功能生物炭提供了机制依据。

以上研究成果以“Iron-loaded biochar enhances electron shuttle function to promote paddy soil dissimilatory nitrate reduction to ammonium”为题，发表于《Communications Earth & Environment》，袁丹、袁姣为共同第一作者，秦树平研究员为通讯作者。研究获得这项工作得到了国家重点研发计划（2024YFD1701100）、国家自然科学基金（42507446）、河北省中心指导地方科技发展基金项目（246Z4206G）、中国博士后科学基金项目CPSF（GZC20251630）（2025M772517）、河北省自然科学基金（D2026503016）、河北省博士后项目（B2025005034）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s43247-026-03826-z