微生物互营产甲烷过程中的种间电子传递

甲烷作为全球第二大温室气体,是典型的可再生清洁能源,也是碳循环中的重要物质组成。大气中约74%的甲烷由产甲烷古菌和其他微生物的互营产生,种间电子传递(interspecies electron transfer, IET)是微生物菌群降低热力学能垒、实现互营产甲烷的核心过程。IET可分为间接种间电子传递(mediated interspecies electron transfer,MIET)和直接种间电子传递(direct interspecies electron transfer, DIET)两种类型,其中MIET依赖氢气、甲酸等载体完成电子的远距离传输,而DIET则依赖导电菌毛、细胞色素c等膜蛋白,通过微生物的直接接触实现电子传递。本文将从IET的研究历程出发,从电子传递机制、微生物种类、生态多样性等方面对微生物互营产甲烷过程中的两种IET类型进行比较,最后对未来待探索的方向进行展望。本综述有助于加深对微生物互营产甲烷过程中IET的理解,为解决由甲烷引发的全球气候变暖等生态问题提供理论支撑。     

微生物种间直接电子传递研究进展

一直以来氢气和甲酸被认为是微生物间电子传递的中间电子传递体。近年来的研究发现,微生物之间可以通过种间直接电子传递(DIET)来替代氢气/甲酸传递。DIET作为一种新发现的微生物间电子传递途径,其电子传递效率要高于传统的种间氢气/甲酸传递。DIET这一新发现改变了微生物互营生长代谢必须依赖氢气或甲酸等电子载体的传统认识,为今后研究微生物互营现象打开了新视角。虽然DIET研究取得了很大进展,但是目前对能够进行DIET的微生物种类、DIET机制及影响DIET的因素尚缺乏深入研究。本文首先概述了能形成DIET的微生物,然后重点分析了能够进行DIET的电子供体微生物胞外电子传递的机制和电子受体微生物直接利用胞外电子的分子机制,最后阐述了导电材料对DIET的影响,并提出了DIET今后的研究方向,旨在为DIET研究提供参考。     

微生物种间直接电子传递机理及应用研究进展

微生物胞内产生的电子转移到其他电子受体而获得能量的过程称为微生物胞外电子传递,其中,另一微生物作为电子受体时发生的电子传递称为微生物种间电子传递。根据微生物种间电子传递机制,可分间接种间电子传递和种间直接电子传递。由于种间直接电子传递不需要其他物质介导,因此较间接种间电子传递效率更高、能量利用更高。本文系统阐述了微生物进行胞外电子传递的机理及应用,重点分析了种间直接电子传递机理,并概述种间直接电子传递应用领域,为寻找更多电连接的微生物群落以及应用微生物提供参考。     

导电碳颗粒促进污泥厌氧消化及微生物种间电子传递的研究进展

添加导电碳颗粒能够促进厌氧消化过程稳定性、底物降解率以及产沼气品质的同步提高。本文总结了以活性炭和生物炭为代表的导电碳颗粒对城市污泥厌氧消化的影响,探讨了导电碳颗粒促进城市污泥厌氧消化的机理,阐述了导电碳颗粒介导的微生物直接种间电子传递(Directinterspecies electrontransfer,DIET)在强化污泥厌氧消化中的作用机制,分析了复杂厌氧消化体系中微生物DIET互营关系的研究现状,同时对导电碳颗粒的物理化学特性及其对污泥厌氧消化产甲烷的影响进行了分析,最后对未来导电碳颗粒促进城市污泥厌氧消化的研究进行了展望。     

导电材料强化微生物直接种间电子传递产甲烷的研究进展

厌氧条件下,微生物可以通过厌氧代谢产生甲烷(CH_4),由此衍生的厌氧消化技术可实现能源的回收利用。产CH_4的关键步骤是刺激发酵细菌和产甲烷古菌之间的有效电子转移,电活性微生物可以取代传统的氢/甲酸盐实现直接种间电子传递,其电子传递效率更高。添加导电材料可以促进直接种间电子传递并提高CH_4产率,是一种更有效的强化电子传递方式。本文在梳理直接种间电子传递发展和机理的基础上,综述了常见的促进直接种间电子传递的碳基和铁基导电材料,对其结构特征、电子传递机理、强化产CH_4和中间产物消耗等方面进行了系统总结。旨在为导电材料促进直接种间电子传递的研究提供参考,并探讨了未来可能的研究方向。     

互营氧化产甲烷微生物种间电子传递研究进展

甲烷是重要的温室气体,也是典型的可再生性生物质能源。目前约70%的大气甲烷排放来源于产甲烷微生物过程。在产甲烷环境中,产甲烷菌与互营细菌形成互营关系,从而克服有机质厌氧分解反应的热力学能垒,实现短链脂肪酸和醇类物质的互营氧化产甲烷过程。该过程中,种间电子传递是关键步骤。本文首先概述了甲烷的研究意义及微生物互营降解有机质产甲烷的过程,然后分别综述了种间H2转移、种间甲酸转移和种间直接电子传递这3种种间电子传递机制的起源、发展、研究现状和未来所需要解决的研究问题。     

产甲烷分离物中Clostridium spp.与Methanosarcina barkeri潜在的种间直接电子传递

【目的】革兰氏阴性菌Geobacter metallireducens可以与乙酸型产甲烷菌Methanosaeta harundinacea或Methanosarcina barkeri通过种间直接电子传递(DIET)还原CO2产甲烷。本实验室前期的研究发现Methanosarcina mazei和Geobacteraceae在铁还原富集培养中形成团聚体,可能存在直接电子传递。然而,革兰氏阳性菌(如Clostridium spp.)与产甲烷菌是否存在种间直接电子传递尚不明确。【方法】采用Hungate厌氧滚管法,以乙醇为唯一电子供体从铁还原富集培养体系中获得产甲烷分离物(S6)。通过T-RFLP及克隆文库分析群落多样性,结合循环伏安法等电化学方法研究产甲烷分离物的电活性。【结果】Clostridium spp.(与C.tunisiense相似性最高)和M.barkeri分别在S6细菌和古菌群落中占优势。S6与G.metallireducens共培养后铁还原和产甲烷能力未明显增加,Clostridium spp.可能与G.metallireducens类似,将电子直接传递给产甲烷菌M.barkeri产甲烷。此外,电化学检测发现,在用透析袋包裹电极阻碍微生物与电极表面通过直接接触形成生物膜的条件下,电流密度显著降低,并且循环伏安扫描无明显氧化还原峰。【结论】产甲烷分离物S6中存在直接电子传递途径。本工作提出在产甲烷分离物中占优势的革兰氏阳性菌Clostridium spp.和M.barkeri之间可能存在种间直接电子传递。     

矿物电子能量协同微生物胞外电子传递与生长代谢

微生物的电子传递过程在生命进化和生物地球化学循环中发挥着关键作用。近年来,随着微生物电子传递研究的深入开展,微生物纳米导线、导电生物被膜及种间电子传递等多种新型的微生物胞外电子传递机制不断被发现,微生物电子传递的距离也从纳米级拓展至厘米级。这些微生物的长距离电子传递过程环环相扣、相互协同,从而构成长距离电子传递网络,并在物质循环和能量转化中共同发挥作用。微生物长距离电子传递网络的结构功能及其调控机制已成为多个学科共同关注的焦点。本文以电子传递的距离为主线,对不同尺度的微生物长距离电子传递过程及网络研究的新进展进行综述,包括纳米尺度的电子传递网络（周质空间和外膜表层）、微米至毫米尺度的电子传递网络（纳米导线、细胞间电子和导电生物被膜）、厘米尺度的电子传递网络（电缆细菌）等,并分析了该研究现存的主要问题和下一步的发展方向,以期为进一步推进微生物长距离电子传递网络理论和应用研究提供科学参考。     

基于直接接触的微生物胞外电子传递

微生物电子传递在微生物的代谢繁殖和物质的生物地球化学循环中发挥着关键作用。其中基于直接接触的微生物胞外电子传递(Direct extracellular electron transfer,DEET)已成为微生物学、地球化学和生物物理学等学科共同关注的焦点,并在近几年取得了一系列重要发现和理论突破,包括微生物纳米导线、电缆细菌、微生物种间DEET等。伴随着这些新进展,更多的问题也需要研究者们在进一步的研究中解决,包括DEET的分子机制及其相关功能微生物种群等。不同学科理论和技术的交叉是进一步揭示DEET过程的关键。     

微生物纳米导线的导电机制及功能

微生物种间直接电子传递是指在厌氧条件下,一种微生物将电子直接传递给另外一种微生物,将两种不同微生物的代谢途径耦合在一起,以达到互养共生的目的。细菌-古菌之间的直接电子传递是其物质转换与能量代谢的新途径和新调控机制,直接参与甲烷的合成以及与硫酸盐还原耦合的厌氧甲烷氧化,在驱动碳和硫的地球化学转化与循环中起着十分重要的作用。目前研究结果认为细菌-古菌之间的直接电子传递主要是由含多个血红素的C型细胞色素介导的,这些细胞色素能形成不间断的胞外电子传递途径,以电子多步跃迁机制在细菌和古菌的细胞质膜之间传递电子。     

Advances in direct interspecies electron transfer and conductive materials: Electron flux,organic degradation and microbial interaction

Direct interspecies electron transfer (DIET) via electrically conductive pili (e-pili) and c-type cytochrome between acetogens and methanogens has been proposed as an essential pathway for methane production. Supplements of conductive materials have been extensively found to promote methane production in microbial anaerobic treatment systems. This review comprehensively presents recent findings of DIET and the addition of conductive materials for methanogenesis and summarizes important results through aspects of electron flux, organic degradation, and microbial interaction. Conductive materials improve DIET and methanogenesis by acting as either substitute of e-pili or electron conduit between e-pili and electron acceptors. Other effects of conductive materials such as the change of redox potential may also be important factors for the stimulation. The type and organic loading rate of substrates affect the occurrence of DIET and stimulating effects of conductive materials. Geobacter, which can participate in DIET, were less enriched in anaerobic systems cultivated with non-ethanol substrates, suggesting the existence of other syntrophs with the capability of DIET. The coupling of communication systems such as quorum sensing may be a good strategy to achieve the formation of biofilm or granule enriched with syntrophic partners capable of DIET.     

Modelling extracellular limitations for mediated versus direct interspecies electron transfer

Interspecies electron transfer (IET) is important for many anaerobic processes, but is critically dependent on mode of transfer. In particular, direct IET (DIET) has been recently proposed as a metabolically advantageous mode compared with mediated IET (MIET) via hydrogen or formate. We analyse relative feasibility of these IET modes by modelling external limitations using a reaction-diffusion-electrochemical approach in a three-dimensional domain. For otherwise identical conditions, external electron transfer rates per cell pair (cp) are considerably higher for formate-MIET (317 × 10³ e⁻ cp⁻¹ s⁻¹) compared with DIET (44.9 × 10³ e⁻ cp⁻¹ s⁻¹) or hydrogen-MIET (5.24 × 10³ e⁻ cp⁻¹ s⁻¹). MIET is limited by the mediator concentration gradient at which reactions are still thermodynamically feasible, whereas DIET is limited through redox cofactor (for example, cytochromes) activation losses. Model outcomes are sensitive to key parameters for external electron transfer including cofactor electron transfer rate constant and redox cofactor area, concentration or count per cell, but formate-MIET is generally more favourable for reasonable parameter ranges. Extending the analysis to multiple cells shows that the size of the network does not strongly influence relative or absolute favourability of IET modes. Similar electron transfer rates for formate-MIET and DIET can be achieved in our case with a slight (0.7 kJ mol⁻¹) thermodynamic advantage for DIET. This indicates that close to thermodynamic feasibility, external limitations can be compensated for by improved metabolic efficiency when using direct electron transfer.     

Evidence for the coexistence of direct and riboflavin-mediated interspecies electron transfer in Geobacter co-culture

Geobacter species can secrete free redox-active flavins, but the role of these flavins in the interspecies electron transfer (IET) of Geobacter direct interspecies electron transfer (DIET) co-culture is unknown. Here, we report the presence of a new riboflavin-mediated interspecies electron transfer (RMIET) process in a traditional Geobacter DIET co-culture; in this process, riboflavin contributes to IET by acting as a free-form electron shuttle between free Geobacter species and serving as a bound cofactor of some cytochromes in Geobacter co-culture aggregates. Multiple lines of evidence indicate that RMIET facilitates the primary initiation of syntrophic growth between Geobacter species before establishing the DIET co-culture and provides additional ways alongside the DIET to transfer electrons to achieve electric syntrophy between Geobacter species. Redox kinetic analysis of riboflavin on either Geobacter species demonstrated that the Gmet_2896 cytochrome acts as the key riboflavin reduction site, while riboflavin oxidation by Geobacter sulfurreducens is the rate-limiting step in RMIET, and the RMIET makes only a minor contribution to IET in Geobacter DIET co-culture. The discovery of a new RMIET process in Geobacter DIET co-culture suggests the complexity of IET in syntrophic bacterial communities and provides suggestions for the careful examination of the IET of other syntrophic co-cultures.