清华大学黄霞教授团队WR:铁氧化还原循环在介导厌氧产甲烷直接种间电子传递过程中不可忽视的作用

近日,清华大学环境学院黄霞教授团队在环境领域知名期刊Water Research上发表了题为“Neglected role of iron redox cycle in direct interspecies electron transfer in anaerobicmethanogenesis:Inspired from biogeochemical processes”的研究论文。厌氧消化是实现绿色低碳废水处理的重要技术选项,互营微生物之间的种间电子传递是影响厌氧消化处理效率和运行稳定性的关键环节。外源投加半导电铁氧化物可显著强化厌氧产甲烷种间电子传递,但关于该复杂多相体系中物化-生化耦合作用机制的认知存在局限。

直接种间电子传递对缓解厌氧消化抑制效应的研究进展

厌氧消化是将生物质废弃物进行资源化利用的有效途径之一。然而,复杂的原料性质以及反应器高负荷的运行条件会使厌氧消化过程产生多种抑制效应,易导致反应器运行不稳定,产气效率低等问题。因此,提升厌氧消化反应器运行性能、减缓抑制效应成为当前的研究热点。区别于以氢气和甲酸为媒介的间接种间电子传递(Mediated Interspecies Electron Transfer,MIET)过程,微生物间的直接种间电子传递(Direct Interspecies Electron Transfer,DIET)能够在菌群间直接进行电子转移,传递效率更高。DIET的建立有助于强化厌氧反应的稳定性,提高反应效率,减缓抑制效应。基于此,该文总结了DIET的研究进展,分析了主要的种间电子传递机制,探讨了DIET对不同类型抑制效应的缓解作用,归纳了DIET潜在微生物的富集效果;在此基础上展望了DIET在减缓厌氧消化抑制效应方面的重点研究方向和应用前景。

碳材料促进废水厌氧处理中直接种间电子传递的研究进展

直接种间电子传递(DIET)是近年来发现的一种微生物电子传递方式,其在废水厌氧生物处理的重要过程中起重要作用。提高DIET效率能在促进有机物厌氧降解产甲烷的同时储存更多能量,优化厌氧生物处理工艺性能并降低处理成本。本文在DIET过程特性分析的基础上,重点论述了活性炭、生物炭、碳纤维布、单壁碳纳米管4种碳材料对废水生物处理中DIET过程的促进作用,并对今后的研究方向进行了展望。

微生物直接种间电子传递:机制及应用

微生物种间电子传递(Interspecies electron transfer,IET)是指电子供体微生物与电子受体微生物之间通过直接或间接方式传递电子形成互营生长关系,从而共同完成单一微生物不能完成的代谢过程的现象。IET分为间接种间电子传递(MediatedIET,MIET)和直接种间电子传递(Direct IET,DIET)。其中,前者一般需要氢、甲酸、核黄素等作为电子载体,而后者是指微生物间通过纳米导线、氧化还原蛋白、导电颗粒等进行直接电子交换。DIET是最新发现的IET方式,DIET的发现改变了微生物互营代谢必须依赖氢/甲酸等能量载体的传统认识。本文在论述MIET的同时,重点阐述了DIET的三种介导机制,列举了参与IET的典型微生物种类,系统介绍了IET在厌氧消化产甲烷、甲烷厌氧氧化、微生物脱氯等重要环境过程中的作用机制及应用潜力,并展望了微生物种间电子传递的未来研究方向。本综述有助于加深对微生物IET发生机制的认识,为理解微生物IET在自然界碳氮等元素循环、温室气体排放、污染物降解等关键生物地球化学过程中的作用提供理论基础,为IET的实际工程应用提供可能。

铁氧化物促进微生物直接种间电子传递的机理及其研究现状

厌氧消化常作为高负荷污水和固体废物处理的手段,经济高效,有良好的应用前景.该过程由不同的微生物群体介导,微生物之间形成共生关系,从而克服代谢过程的热力学障碍.在共生关系中,微生物种间电子传递过程极其重要,有机物氧化菌与产甲烷菌一般通过种间氢或甲酸传递进行种间间接电子传递.随着研究进行,人们发现了电子传递效率更高的直接种间电子传递,可实现微生物之间直接电子交换,而不需要如氢气、甲酸等作为电子传递载体.目前研究已表明具有导电性质的材料如某些碳材料以及铁氧化物能够促进直接种间电子传递.为加深对种间电子传递的理解以期提高厌氧消化效率,本文陈述了厌氧消化种间氢传递和直接种间电子传递的机理以及非铁氧化物促进直接种间电子传递的研究现状,着重介绍了铁氧化物促进直接种间电子传递的研究进展,并分别从热力学、动力学、理化性质三个方面进行了分析,最后对铁氧化物促进直接种间电子传递的研究进行了展望.

改善剩余污泥厌氧消化产甲烷性能的新策略:导电材料介导微生物种间直接电子传递

综述了近年来关于碳基和铁基导电材料促进DIET产甲烷的研究进展,归纳了直接种间电子传递的机制,总结了碳基和铁基导电材料的结构特征、电子传递机理和强化剩余污泥厌氧产甲烷效果。指出了当前研究存在的不足,并对未来的研究方向做出了展望。

厌氧消化中直接种间电子传递产甲烷机理研究与技术应用

现有厌氧消化工程的核心原理是传统的水解酸化-产甲烷途径,该途径复杂有机物水解缓慢,且有机物分解产乙酸受H2分压限制,导致产甲烷效率低及稳定性差. 2014年,美国马萨诸塞州大学微生物学家Lovley等人提出一种新型产甲烷途径:直接种间电子传递(DIET)产甲烷途径. DIET产甲烷途径的发现突破了半个多世纪以来研究者对厌氧消化以水解酸化-产甲烷为唯一途径及H2为主要电子载体的认识,开拓了产甲烷新思路.尽管一些报道综述了DIET的基本原理、关键微生物及调控策略等,但还没有报道阐明DIET产甲烷途径的研究进展及其在厌氧消化中的应用.因此,本文总结了DIET产甲烷途径的研究进展,阐明了DIET产甲烷途径的微生物群落及其可利用的底物,评估了DIET产甲烷途径的强化策略和及其在厌氧消化中的应用,期待为改善现有厌氧消化工程的效率和稳定性提供支持.

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(CH4),由此衍生的厌氧消化技术可实现能源的回收利用。产CH4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CH4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CH4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。

微生物种间直接电子传递方式耦合产甲烷研究进展

厌氧产甲烷体系中细菌与产甲烷菌之间的电子传递,一直以来被认为是通过种间H2/甲酸转移来实现。然而,近年来研究发现某些电活性微生物与产甲烷菌之间存在可替代种间H2/甲酸转移以实现电子传递的种间直接电子传递(direct interspecies electron transfer,DIET)。通过DIET方式,产甲烷菌可从与其共生的微生物中直接获得的电子还原CO2产甲烷,该方式极大地提高产甲烷的效率和产甲烷的量。但是,目前对DIET方式耦合产甲烷还缺乏深入研究。文章对DIET方式耦合还原CO2产甲烷的研究现状进行了概述,重点分析了DIET方式耦合还原CO2产甲烷研究存在的问题,并讨论了其今后研究方向,以为DIET方式耦合还原CO2产甲烷研究提供参考。

碳材料增强微生物种间电子传递强化餐厨垃圾厌氧消化产甲烷研究综述

餐厨垃圾厌氧消化产甲烷是餐厨垃圾资源化、能源化利用的重要途径,但其有机物互营产甲烷过程易受微生物间接种间电子传递的低速瓶颈和低氢分压限制的影响,导致有机酸累积抑制、甲烷回收效率低,系统稳定性差。近年来大量研究表明,多种导电碳材料可通过介导互营微生物直接种间电子传递(DIET),大幅提高种间电子传递速率,并突破低氢分压限制,强化餐厨垃圾厌氧产甲烷。文章在梳理有机物厌氧消化微生物种间电子传递机理的基础上,总结了活性炭、生物炭、碳布、石墨等多种导电碳材料介导微生物DIET强化餐厨垃圾厌氧消化的最新研究进展,包括碳材料对互营细菌和产甲烷菌种间电子传递、产气滞后期及甲烷产量、有机酸代谢和系统稳定性、厌氧微生物群落结构动态演化的影响。尽管外源碳材料介导DIET强化餐厨垃圾厌氧消化的优异效果已被证实,但碳材料诱导互营微生物间DIET体系建立的机理尚未明确,而且碳材料如何在大型沼气工程中持续稳定发挥功效及其回收利用问题仍未有效解决。在未来的研究中,碳材料诱导下高效DIET功能菌群的构建机制及其工程化应用将是重点研究方向。

厌氧消化过程的电子传递机制及强化

厌氧消化过程存在若干电子传递途径。综述了厌氧消化过程的电子传递机制,包括电活性微生物、胞外电子直接传递、外源添加物强化厌氧消化等的进展。通过电活性微生物建立的强化胞外电子直接传递的厌氧消化体系,具有更高电子传递效率,能有效降解有机物,也增强了产甲烷效果。对机理的更深入探讨、新材料的开发和实际应用等,是本领域后续研究需要关注的重点。

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。

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(Direct interspecies electron transfer,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。

导电材料强化挥发性脂肪酸互营氧化产甲烷菌群的种间直接电子传递研究进展

挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)降解是厌氧消化的限速步骤,其产甲烷效率取决于微生物的种间电子传递能力.种间直接电子传递(direct interspecies electron transfer,DIET)克服了种间氢/甲酸电子转移的热力学限制,可加速VFA降解产甲烷过程.基于微生物利用自身结构(如纳米导线、细胞色素c及其他蛋白组分等)进行DIET的原理,综述了外源添加导电材料对VFA厌氧消化产甲烷过程中DIET的强化效果及作用机制.碳材料和铁材料均能有效提高厌氧消化体系的甲烷产率,并缩短VFA的降解时间;碳材料通过替代纳米导线或富集具有DIET能力的微生物(如地杆菌)来实现DIET的强化.但不同类型铁材料的DIET强化机制存在着差异:磁铁矿的作用包括替代细胞色素c、诱导与DIET相关蛋白质的表达以及富集DIET微生物等;赤铁矿和针铁矿也可富集DIET微生物,此外赤铁矿还可促进细胞聚集体的形成及稳定,使DIET的进行更加有利.未来应进一步探究地杆菌以外微生物的DIET能力及作用机制,并优化导电材料强化厌氧消化产甲烷的工艺,以加速有机废弃物的高效资源化处理进程.

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。

磁铁矿促进微生物种间电子传递的机制

磁铁矿是自然界中广泛存在的矿物之一,其与互营微生物间的直接接触过程中常常伴随发生不同的电子传递“策略机制”,从而直接或间接地提升了微生物的种间电子传递(interspecific electron transfer,IET)过程,有助于互营微生物间的共生长及代谢.这种效应将促进一些环境新能源的可再生应用.系统综述了基于磁铁矿促进强化IET过程中的主要作用机制:(1)磁铁矿具有良好的氧化还原特性,可作为储存电子的“环境电池”;(2)磁铁矿表现出良好的导电性,可与OmcS蛋白具有等同效应;(3)磁铁矿对微生物具有特定的生理应激效应,可刺激胞外聚合物的分泌并激活与电子相关的酶活性等.概述了现阶段磁铁矿作为一种廉价的介导材料用于提升IET的环境应用,特别是在强化生物甲烷应用实现二氧化碳减排、微生物脱氯、脱氮及厌氧氧化甲烷等生物工程应用领域中具有无限潜力.针对现阶段应用磁铁矿提升IET环境过程中存在的不足,提出:(1)将磁铁矿作填充床,作为内置厌氧消化装置;(2)对磁铁矿进行修饰/改性,降低铁流失从而提高其稳定性.未来工作将聚焦在结合多组学、同位素标记及搭建可行的方法体系,解析磁铁矿强化直接IET(DIET)作用机制,并深入探究磁铁矿的铁磁效应及促进DIET过程的关联效应.

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。

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。

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。

微生物种间电子传递的研究进展

种间电子传递可促进微生物发生共代谢,因而在地球生物化学循环和环境污染修复中具有重要意义。根据电子传递方式的不同可将种间电子传递分为直接种间电子传递(direct interspecies electron transfer,DIET)和间接种间电子传递(mediated interspecies electron transfer,MIET),其中,直接种间电子传递由于易发生、效率高而受到更加广泛的关注。本文总结了近年来关于种间电子传递的研究进展,阐述了种间电子传递的途径,比较了DIET和MIET的优缺点,并对开发更多具有种间电子传递功能的微生物提出了建议,以期加深人们对于种间电子传递的理解,并对未来该领域的研究提供参考。