外源電子與天然礦物對產(chǎn)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(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對能源的需求越來越大。為減輕對傳統(tǒng)化石能源的依賴,新能源的開發(fā)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(chǎn)甲烷菌是一類能將無機(jī)或有機(jī)化合物通過厭氧發(fā)酵最終轉(zhuǎn)化為甲烷和CO2的古細(xì)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(tài)系統(tǒng)中,也存在于廢水、堆肥和消化污泥等非自然生態(tài)系統(tǒng)中,是全球碳循環(huán)的重要組成部分[1-2]。其產(chǎn)甲烷特性是可被利用的有效生物能源策略,對解決當(dāng)前環(huán)境問題和能源危機(jī)具有重大意義[3-4]。產(chǎn)甲烷菌生長的常見底物有H2/CO2、乙酸、甲酸和甲醇等,但在現(xiàn)有培養(yǎng)條件下底物轉(zhuǎn)化效率極低,產(chǎn)甲烷菌的生長速率非常緩慢,極大制約了產(chǎn)甲烷菌的實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用。近年來,研究人員開發(fā)了提升產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷速率的有效方法,如微電流驅(qū)動法[5]、導(dǎo)電聚苯胺法[6]、活性炭法[7]及添加導(dǎo)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(yǎng)體系的胞內(nèi)外電子傳遞效率,進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌生長代謝。不難發(fā)現(xiàn),電子傳遞是微生物存活和代謝的基礎(chǔ),是產(chǎn)甲烷過程的重要條件。外源電子的介入可以有效加快產(chǎn)甲烷速率,為改良現(xiàn)有產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)方案提供了有效途徑[10]?；诖?作者對產(chǎn)甲烷菌對外源電子的利用能力進(jìn)行綜述,探討天然礦物調(diào)控產(chǎn)甲烷菌生長代謝的方式,以期為產(chǎn)甲烷菌的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 產(chǎn)甲烷菌對外源電子的利用能力

1.1 互營細(xì)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(chǎn)甲烷菌可利用底物的厭氧環(huán)境中,厭氧互營細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌的互營代謝合作關(guān)系更為緊密。在該過程中,通常需要互營細(xì)菌降解脂肪酸、芳香族化合物、醇類及含氮有機(jī)物等物質(zhì),為產(chǎn)甲烷菌提供氫、甲酸、乙酸等底物,形成產(chǎn)甲烷互營代謝[11]。互營細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌的生長代謝均通過種間電子傳遞載體相互轉(zhuǎn)化而偶聯(lián)。

除了這種有機(jī)質(zhì)厭氧代謝的經(jīng)典偶聯(lián)方式,種間電子傳遞更是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象,在互營產(chǎn)甲烷過程中起到關(guān)鍵作用[12-13]。即細(xì)菌利用細(xì)胞外不溶性的電子受體完成氧化還原反應(yīng),進(jìn)行呼吸電子傳遞,并獲得能量。目前普遍認(rèn)為這種機(jī)制是通過細(xì)菌外膜C型細(xì)胞色素、細(xì)胞附屬物或胞外電子穿梭體等方式介導(dǎo)[14-15]。地桿菌與產(chǎn)甲烷菌可通過電子傳遞形成互養(yǎng)共生關(guān)系[16](圖1)。地桿菌通過氧化有機(jī)物產(chǎn)生電子,釋放到胞外并傳遞給產(chǎn)甲烷菌,進(jìn)而將底物還原為甲烷。Rotaru等[17]通過研究Methanosaetaharundinacea和Geobactermetallireducens共培養(yǎng)體系發(fā)現(xiàn),若將地桿菌中編碼導(dǎo)電菌毛的pliA基因敲除,該體系則無法利用乙醇產(chǎn)甲烷,說明地桿菌通過導(dǎo)電菌毛將電子傳遞給產(chǎn)甲烷菌,使其完成生長代謝。隨后,Holmes等[18]研究發(fā)現(xiàn),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(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷。Rotaru等[19]還發(fā)現(xiàn)在海底沉積物中也存在該現(xiàn)象。這些研究表明,微生物種間電子傳遞過程對自然界中產(chǎn)甲烷菌生長代謝起到了極為重要的作用,在長期生命進(jìn)化過程中可能普遍存在。

圖1 地桿菌與產(chǎn)甲烷菌間依賴電子傳遞的互養(yǎng)共生關(guān)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(diào)控微生物體系中的菌群結(jié)構(gòu),影響電子傳遞和一系列氧化還原反應(yīng)[20]。Ding等[21]研究發(fā)現(xiàn),給予厭氧消化體系合適的電壓會影響微生物活性,甲烷產(chǎn)量增幅超過4倍。Alqahtani等[22]研究發(fā)現(xiàn),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(chǎn)量,這可能與微生物群落變化、乙酸產(chǎn)量提高有關(guān)。劉洪周等[23]研究發(fā)現(xiàn),外源添加0.6 V的電勢差時,系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量最高可提升77%;結(jié)合代謝通量分析發(fā)現(xiàn),所產(chǎn)甲烷仍主要來源于體系中的乙酸,但用于產(chǎn)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(xué)技術(shù)是研究微生物親電或產(chǎn)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(xiàn)微生物利用外源電子的能力。由此可見,產(chǎn)甲烷菌一般可以利用外源電子作為還原力提供自身產(chǎn)能,進(jìn)而促進(jìn)生長代謝,提升甲烷產(chǎn)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(yīng)等化學(xué)作用時所體現(xiàn)的一種化學(xué)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(huán)境介體或細(xì)胞表面膜蛋白發(fā)生氧化還原反應(yīng),經(jīng)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(fā)現(xiàn),零價鐵可在底物污泥中作為微生物產(chǎn)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(guān)。Hu等[26]研究發(fā)現(xiàn),在Trichoccus參與下低濃度Cr(Ⅵ)可促進(jìn)乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷。Fu等[27]在乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)體系中添加納米Fe3O4,發(fā)現(xiàn)納米Fe3O4可促進(jìn)乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷,結(jié)合光譜分析發(fā)現(xiàn),產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞膜中納米Fe3O4作為電子穿梭器提高了細(xì)胞內(nèi)電子傳遞效率,進(jìn)而使甲烷產(chǎn)量提高。Tang等[28]將水鐵礦二次礦化產(chǎn)生的磁鐵礦作為培養(yǎng)物,研究其對產(chǎn)甲烷菌生長代謝的影響,發(fā)現(xiàn)加入磁鐵礦后產(chǎn)甲烷菌對乙酸鹽轉(zhuǎn)化為甲烷的效率提高了30.2%?？梢娫貎r電子是產(chǎn)甲烷菌利用外源電子的主要來源,能夠顯著提高多種培養(yǎng)條件下的菌株生長量和甲烷產(chǎn)量。

2 天然礦物調(diào)控產(chǎn)甲烷菌生長代謝的方式

微生物是自然界物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分,礦物與微生物在能量和物質(zhì)之間一直有著復(fù)雜的作用關(guān)系,這推進(jìn)了微生物的代謝進(jìn)化,同時也促進(jìn)了地球生物化學(xué)演化的多個過程,如碳、氮元素循環(huán)等[29]。

2.1 提高電子傳遞效率

天然礦物具有縮短產(chǎn)甲烷菌代謝滯后期、提高甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)甲烷速率的作用,且與礦物加量和培養(yǎng)周期呈正相關(guān)[30]。此外,一些天然礦物的加入還可以促進(jìn)具有種間電子傳遞功能的微生物與產(chǎn)甲烷菌互營生長,間接提高產(chǎn)甲烷菌的電子傳遞效率,提升產(chǎn)甲烷效率。Kato等[31]研究發(fā)現(xiàn),含鐵半導(dǎo)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(yīng)器中加入Fe2O3納米顆粒,通過促進(jìn)鐵還原細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌的種間直接電子傳遞,使甲烷產(chǎn)量提高了15.4%。高雪濛等[33]在反應(yīng)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(gòu)建系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷能力,結(jié)果表明,Fe2O3可解除酸抑制,加快厭氧菌的產(chǎn)甲烷速率。Ambuchi等[34]利用厭氧菌降解甜菜制糖工業(yè)廢水,并探究了赤鐵礦對甲烷產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明,在赤鐵礦存在下,甲烷產(chǎn)量提高了35%。Wang等[35]研究發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)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(zhì)和腐殖酸,提升電子傳遞能力,進(jìn)而提高產(chǎn)甲烷效率(圖2)。這表明,礦物顆粒還可以通過促進(jìn)胞內(nèi)物質(zhì)合成,增加細(xì)胞色素,進(jìn)而刺激微生物進(jìn)行更高效的電子傳遞。隨后研究人員通過深入研究,進(jìn)一步揭示了磁鐵礦主要是通過替代微生物導(dǎo)電物質(zhì)或誘導(dǎo)微生物導(dǎo)電物質(zhì)的合成和表達(dá)來發(fā)揮作用;赤鐵礦則可以通過鐵離子作用促進(jìn)細(xì)胞聚集體的形成和穩(wěn)定,有利于微生物進(jìn)行種間電子或電子載體的傳遞[36-37]。

圖2 Fe(OH)3和Fe2O3促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌代謝產(chǎn)甲烷的作用機(jī)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(yīng)功能外,Ma等[38]通過在濕地系統(tǒng)中添加TiO2NPs,發(fā)現(xiàn)電活性菌和產(chǎn)甲烷菌同時得到富集,系統(tǒng)產(chǎn)甲烷效率可提高48.6%,表明TiO2NPs可以在自然環(huán)境中作為電活性菌進(jìn)行電子傳遞的導(dǎo)體,促進(jìn)種間電子傳遞,進(jìn)而提高厭氧產(chǎn)甲烷能力。此外,Cr2O3和ZnO等礦物材料也對厭氧產(chǎn)甲烷過程起到促進(jìn)作用,可見多種礦物均能促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的電子傳遞及生長代謝。

2.2 參與氧化還原反應(yīng)

在厭氧反應(yīng)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(yīng)調(diào)控環(huán)境因子,使其適宜產(chǎn)甲烷過程。Zhang等[39]研究發(fā)現(xiàn),納米半導(dǎo)體礦物材料可作為還原劑去除反應(yīng)系統(tǒng)中的重金屬離子,有利于微生物進(jìn)行正常的生長代謝,進(jìn)而提高甲烷產(chǎn)量。Lombi等[40]研究發(fā)現(xiàn),在厭氧消化體系中引入的ZnO可與H2S反應(yīng),形成ZnS沉淀,減少H2S產(chǎn)生,降低其對厭氧消化微生物產(chǎn)甲烷的影響。Uchiyama等[41]研究發(fā)現(xiàn),在N2和CO2環(huán)境下,零價鐵可作為唯一電子供體,產(chǎn)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(fā)現(xiàn),在培養(yǎng)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(guān)鍵酶的合成,加快氧化還原反應(yīng)速率,進(jìn)而提高甲烷產(chǎn)量。這種基于氧化還原反應(yīng)的化學(xué)作用,可能是自然環(huán)境中礦物與微生物共存的基礎(chǔ)。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(jìn)而提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量。

2.3 提供光生電子

地球上礦產(chǎn)資源豐富,礦物種類多樣,其中具有半導(dǎo)體性質(zhì)的天然礦物能夠被太陽光激發(fā)完成光電轉(zhuǎn)化,即當(dāng)光子能量高于礦物禁帶寬度時,價帶電子被激發(fā)并躍遷至導(dǎo)帶,產(chǎn)生空穴和光生電子。2012年,Lu等[43]首次發(fā)現(xiàn)微生物能夠通過閃鋅礦等天然礦物光生電子促進(jìn)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(tuán)隊利用多學(xué)科交叉研究手段,揭示了地表礦物與太陽光響應(yīng)之間的關(guān)系(圖3)[44],并認(rèn)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(fā)現(xiàn)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(yīng)Fig.3 Response of earth mineral membrane to sunlight

Anjum等[48]研究發(fā)現(xiàn),半導(dǎo)體礦物納米顆粒經(jīng)可見光激發(fā)后,可使甲烷產(chǎn)量提高1.6倍。Ye等[49]將CdS礦物與Methanosarcinabarkeri共培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)光生電子能夠通過氫化酶和細(xì)胞色素傳遞,推進(jìn)菌體固定CO2產(chǎn)甲烷,使菌體胞內(nèi)產(chǎn)甲烷基因表達(dá)量顯著上調(diào),提升了151.4%,產(chǎn)甲烷速率為0.19 μmol·h-1,體系的量子產(chǎn)率達(dá)0.34%。該團(tuán)隊還通過將雙活性位點(diǎn)(NiCu合金)納入CdS半導(dǎo)體和產(chǎn)甲烷菌之間的界面(圖4),調(diào)控界面產(chǎn)氫效應(yīng),進(jìn)一步提高產(chǎn)甲烷性能,使體系中近100%的H2被細(xì)菌利用,驅(qū)動其轉(zhuǎn)化CO2產(chǎn)甲烷,量子產(chǎn)率高達(dá)12.41%[50]。由此證明,礦物光生電子對產(chǎn)甲烷菌生長代謝的促進(jìn)作用十分明顯,極有可能成為改良產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)方式的新方向。

圖4 太陽光驅(qū)動的Methanosarcina barkeri-NiCu@CdS微生物光電化學(xué)產(chǎn)甲烷系統(tǒng)Fig.4 Solar-driven methanogenesis system with Methanosarcina barkeri-NiCu@CdS by microbial photochemistry

3 展望

產(chǎn)甲烷菌的生長代謝對地球環(huán)境碳循環(huán)具有十分重要的作用。產(chǎn)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(jìn)入胞內(nèi),加快產(chǎn)甲烷菌代謝速率,提升甲烷產(chǎn)量。與水電、火電及核電等電力能源相比,通過半導(dǎo)體礦物將太陽光轉(zhuǎn)化為電能具有成本低、效率高的特點(diǎn)。在胞內(nèi)還原力提高的條件下,利用產(chǎn)甲烷菌將環(huán)境小分子碳化合物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為更高效的生物能,可以解決目前能源領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。但天然礦物光生電子對產(chǎn)甲烷菌的作用機(jī)理仍有待深入研究,將礦物光生電子與現(xiàn)有產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)技術(shù)整合的高效策略極可能成為未來的研究熱點(diǎn),在生物燃料合成領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景。