外源電子與天然礦物對產甲烷菌生長代謝的影響

鄭 懿,王一杰,馬 蕾,楊 悅,賈銘宇,趙 敏

(東北林業大學生命科學學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著社會經濟的快速發展,人們對能源的需求越來越大。為減輕對傳統化石能源的依賴,新能源的開發和利用越來越受到重視。甲烷作為一種清潔、可再生新能源,具有不可替代的作用。產甲烷菌是一類能將無機或有機化合物通過厭氧發酵最終轉化為甲烷和CO2的古細菌,主要存在于沼澤、湖泊、海洋沉積物和動物瘤胃液等自然生態系統中,也存在于廢水、堆肥和消化污泥等非自然生態系統中,是全球碳循環的重要組成部分[1-2]。其產甲烷特性是可被利用的有效生物能源策略,對解決當前環境問題和能源危機具有重大意義[3-4]。產甲烷菌生長的常見底物有H2/CO2、乙酸、甲酸和甲醇等,但在現有培養條件下底物轉化效率極低,產甲烷菌的生長速率非常緩慢,極大制約了產甲烷菌的實際工業化應用。近年來,研究人員開發了提升產甲烷菌產甲烷速率的有效方法,如微電流驅動法[5]、導電聚苯胺法[6]、活性炭法[7]及添加導電納米材料或改性材料法[8-9]等。上述方法的基本原理是通過提高培養體系的胞內外電子傳遞效率,進而促進產甲烷菌生長代謝。不難發現,電子傳遞是微生物存活和代謝的基礎,是產甲烷過程的重要條件。外源電子的介入可以有效加快產甲烷速率,為改良現有產甲烷菌培養方案提供了有效途徑[10]?；诖?作者對產甲烷菌對外源電子的利用能力進行綜述,探討天然礦物調控產甲烷菌生長代謝的方式,以期為產甲烷菌的應用奠定理論基礎。

1 產甲烷菌對外源電子的利用能力

1.1 互營細菌提供外源電子

微生物“互營”是互惠共生的一種互作方式。在缺乏產甲烷菌可利用底物的厭氧環境中,厭氧互營細菌與產甲烷菌的互營代謝合作關系更為緊密。在該過程中,通常需要互營細菌降解脂肪酸、芳香族化合物、醇類及含氮有機物等物質,為產甲烷菌提供氫、甲酸、乙酸等底物,形成產甲烷互營代謝[11]。互營細菌與產甲烷菌的生長代謝均通過種間電子傳遞載體相互轉化而偶聯。

除了這種有機質厭氧代謝的經典偶聯方式,種間電子傳遞更是自然界中廣泛存在的現象,在互營產甲烷過程中起到關鍵作用[12-13]。即細菌利用細胞外不溶性的電子受體完成氧化還原反應,進行呼吸電子傳遞,并獲得能量。目前普遍認為這種機制是通過細菌外膜C型細胞色素、細胞附屬物或胞外電子穿梭體等方式介導[14-15]。地桿菌與產甲烷菌可通過電子傳遞形成互養共生關系[16](圖1)。地桿菌通過氧化有機物產生電子,釋放到胞外并傳遞給產甲烷菌,進而將底物還原為甲烷。Rotaru等[17]通過研究Methanosaetaharundinacea和Geobactermetallireducens共培養體系發現,若將地桿菌中編碼導電菌毛的pliA基因敲除,該體系則無法利用乙醇產甲烷,說明地桿菌通過導電菌毛將電子傳遞給產甲烷菌,使其完成生長代謝。隨后,Holmes等[18]研究發現,稻田土壤中的甲烷鬃毛菌和甲烷八疊球菌只能通過微生物種間電子傳遞的方式將有機物轉化為甲烷。Rotaru等[19]還發現在海底沉積物中也存在該現象。這些研究表明,微生物種間電子傳遞過程對自然界中產甲烷菌生長代謝起到了極為重要的作用,在長期生命進化過程中可能普遍存在。

圖1 地桿菌與產甲烷菌間依賴電子傳遞的互養共生關系Fig.1 Electron-transfer dependent symbiotic relationship between Geobacter and methanogen

1.2 電極輸入外源電子

外界的電壓和電流能夠調控微生物體系中的菌群結構,影響電子傳遞和一系列氧化還原反應[20]。Ding等[21]研究發現,給予厭氧消化體系合適的電壓會影響微生物活性,甲烷產量增幅超過4倍。Alqahtani等[22]研究發現,在富集碳固定微生物群落時引入外加電壓,可以提高體系甲烷產量,這可能與微生物群落變化、乙酸產量提高有關。劉洪周等[23]研究發現,外源添加0.6 V的電勢差時,系統甲烷產量最高可提升77%;結合代謝通量分析發現,所產甲烷仍主要來源于體系中的乙酸,但用于產甲烷的氫氣通量受電壓影響顯著,隨電壓增大明顯升高。電化學技術是研究微生物親電或產電作用的直接手段,在外界電流輸入的條件下觀察微生物的代謝作用,能夠直觀體現微生物利用外源電子的能力。由此可見,產甲烷菌一般可以利用外源電子作為還原力提供自身產能,進而促進生長代謝,提升甲烷產量。

1.3 元素價電子

元素價電子能量是自然界中一種重要能量形式,是自然界中變價元素的核外電子在受到氧化還原反應等化學作用時所體現的一種化學能。變價元素(主要有鐵、鉻和錳等元素[24])通過與微生物胞外聚合物、環境介體或細胞表面膜蛋白發生氧化還原反應,經電子傳遞路徑向菌株輸送價電子,這是微生物利用價電子的主要來源。Karri等[25]研究發現,零價鐵可在底物污泥中作為微生物產甲烷的緩釋電子供體,甲烷生成速率與零價鐵的比表面積呈正相關。Hu等[26]研究發現,在Trichoccus參與下低濃度Cr(Ⅵ)可促進乙酸營養型產甲烷菌產甲烷。Fu等[27]在乙酸營養型產甲烷菌培養體系中添加納米Fe3O4,發現納米Fe3O4可促進乙酸營養型產甲烷菌產甲烷,結合光譜分析發現,產甲烷菌細胞膜中納米Fe3O4作為電子穿梭器提高了細胞內電子傳遞效率,進而使甲烷產量提高。Tang等[28]將水鐵礦二次礦化產生的磁鐵礦作為培養物,研究其對產甲烷菌生長代謝的影響,發現加入磁鐵礦后產甲烷菌對乙酸鹽轉化為甲烷的效率提高了30.2%?？梢娫貎r電子是產甲烷菌利用外源電子的主要來源,能夠顯著提高多種培養條件下的菌株生長量和甲烷產量。

2 天然礦物調控產甲烷菌生長代謝的方式

微生物是自然界物質循環的重要組成部分,礦物與微生物在能量和物質之間一直有著復雜的作用關系,這推進了微生物的代謝進化,同時也促進了地球生物化學演化的多個過程,如碳、氮元素循環等[29]。

2.1 提高電子傳遞效率

天然礦物具有縮短產甲烷菌代謝滯后期、提高甲烷產量和產甲烷速率的作用,且與礦物加量和培養周期呈正相關[30]。此外,一些天然礦物的加入還可以促進具有種間電子傳遞功能的微生物與產甲烷菌互營生長,間接提高產甲烷菌的電子傳遞效率,提升產甲烷效率。Kato等[31]研究發現,含鐵半導體礦物可以加速厭氧體系中甲烷的生成。Xu等[32]在厭氧反應器中加入Fe2O3納米顆粒,通過促進鐵還原細菌與產甲烷菌的種間直接電子傳遞,使甲烷產量提高了15.4%。高雪濛等[33]在反應器中加入底物并接種厭氧污泥,比較了在無Fe2O3、48 h后加入Fe2O3、開始時加入Fe2O3等3種條件下構建系統的產甲烷能力,結果表明,Fe2O3可解除酸抑制,加快厭氧菌的產甲烷速率。Ambuchi等[34]利用厭氧菌降解甜菜制糖工業廢水,并探究了赤鐵礦對甲烷產量的影響,結果表明,在赤鐵礦存在下,甲烷產量提高了35%。Wang等[35]研究發現,培養體系中含鐵礦物顆粒的介入可以顯著刺激微生物合成蛋白質和腐殖酸,提升電子傳遞能力,進而提高產甲烷效率(圖2)。這表明,礦物顆粒還可以通過促進胞內物質合成,增加細胞色素,進而刺激微生物進行更高效的電子傳遞。隨后研究人員通過深入研究,進一步揭示了磁鐵礦主要是通過替代微生物導電物質或誘導微生物導電物質的合成和表達來發揮作用;赤鐵礦則可以通過鐵離子作用促進細胞聚集體的形成和穩定,有利于微生物進行種間電子或電子載體的傳遞[36-37]。

圖2 Fe(OH)3和Fe2O3促進產甲烷菌代謝產甲烷的作用機制Fig.2 Mechanism of methane production by methanogens that promoted by Fe(OH)3 or Fe2O3

除了含鐵礦物具有相應功能外,Ma等[38]通過在濕地系統中添加TiO2NPs,發現電活性菌和產甲烷菌同時得到富集,系統產甲烷效率可提高48.6%,表明TiO2NPs可以在自然環境中作為電活性菌進行電子傳遞的導體,促進種間電子傳遞,進而提高厭氧產甲烷能力。此外,Cr2O3和ZnO等礦物材料也對厭氧產甲烷過程起到促進作用,可見多種礦物均能促進產甲烷菌的電子傳遞及生長代謝。

2.2 參與氧化還原反應

在厭氧反應體系中,重金屬離子、體系pH值及氣體分壓等條件會影響微生物生長代謝,而天然礦物材料會通過參與氧化還原反應調控環境因子,使其適宜產甲烷過程。Zhang等[39]研究發現,納米半導體礦物材料可作為還原劑去除反應系統中的重金屬離子,有利于微生物進行正常的生長代謝,進而提高甲烷產量。Lombi等[40]研究發現,在厭氧消化體系中引入的ZnO可與H2S反應,形成ZnS沉淀,減少H2S產生,降低其對厭氧消化微生物產甲烷的影響。Uchiyama等[41]研究發現,在N2和CO2環境下,零價鐵可作為唯一電子供體,產甲烷菌可以通過氧化作用在其表面直接獲得電子而生長。Wei等[42]研究發現,在培養體系中引入的含鐵礦物極可能被微生物直接利用,礦物中的鐵離子能夠參與代謝關鍵酶的合成,加快氧化還原反應速率,進而提高甲烷產量。這種基于氧化還原反應的化學作用,可能是自然環境中礦物與微生物共存的基礎。礦物介入微生物生長代謝,同時在微生物作用下完成組分演化,微生物從中獲取能量,進而提高代謝產物產量。

2.3 提供光生電子

地球上礦產資源豐富,礦物種類多樣,其中具有半導體性質的天然礦物能夠被太陽光激發完成光電轉化,即當光子能量高于礦物禁帶寬度時,價帶電子被激發并躍遷至導帶,產生空穴和光生電子。2012年,Lu等[43]首次發現微生物能夠通過閃鋅礦等天然礦物光生電子促進其生長代謝,形成非光合微生物的“礦物-微生物”光合作用。此后,該研究團隊利用多學科交叉研究手段,揭示了地表礦物與太陽光響應之間的關系(圖3)[44],并認為這種光電子能量是繼元素價電子能量與太陽光子能量后的第三種地表能量形式,意義重大[45]。目前,研究已發現多種微生物具有利用光生電子的能力,并參與多種代謝途徑,這為“礦物-微生物”交互作用研究提供了新方向[46-47]。

圖3 地表天然礦物膜對太陽光的響應Fig.3 Response of earth mineral membrane to sunlight

Anjum等[48]研究發現,半導體礦物納米顆粒經可見光激發后,可使甲烷產量提高1.6倍。Ye等[49]將CdS礦物與Methanosarcinabarkeri共培養,發現光生電子能夠通過氫化酶和細胞色素傳遞,推進菌體固定CO2產甲烷,使菌體胞內產甲烷基因表達量顯著上調,提升了151.4%,產甲烷速率為0.19 μmol·h-1,體系的量子產率達0.34%。該團隊還通過將雙活性位點(NiCu合金)納入CdS半導體和產甲烷菌之間的界面(圖4),調控界面產氫效應,進一步提高產甲烷性能,使體系中近100%的H2被細菌利用,驅動其轉化CO2產甲烷,量子產率高達12.41%[50]。由此證明,礦物光生電子對產甲烷菌生長代謝的促進作用十分明顯,極有可能成為改良產甲烷菌培養方式的新方向。

圖4 太陽光驅動的Methanosarcina barkeri-NiCu@CdS微生物光電化學產甲烷系統Fig.4 Solar-driven methanogenesis system with Methanosarcina barkeri-NiCu@CdS by microbial photochemistry

3 展望

產甲烷菌的生長代謝對地球環境碳循環具有十分重要的作用。產甲烷菌可以利用多種來源的外源電子,通過電子傳遞作用進入胞內,加快產甲烷菌代謝速率,提升甲烷產量。與水電、火電及核電等電力能源相比,通過半導體礦物將太陽光轉化為電能具有成本低、效率高的特點。在胞內還原力提高的條件下,利用產甲烷菌將環境小分子碳化合物進一步轉化為更高效的生物能,可以解決目前能源領域的關鍵問題。但天然礦物光生電子對產甲烷菌的作用機理仍有待深入研究,將礦物光生電子與現有產甲烷菌培養技術整合的高效策略極可能成為未來的研究熱點,在生物燃料合成領域具有極為廣闊的應用前景。