南开大学王鑫课题组WR：理解碳刷加速长链脂肪酸甲烷化的微生物过程

图文摘要

成果简介

近日，南开大学王鑫教授课题组在环境领域著名学术期刊 Water Research 上发表了题为“ Understanding the Microbial Processes on Carbon Brushes that Accelerate Methanogenesis of Long-Chain Fatty Acids in Anaerobic Digestion ”的研究论文（ DOI: 10.1016/j.watres.2024.123084 ）。本研究区分并理解了具有较大导电比表面积的碳刷电极在电刺激与否时对长链脂肪酸（ Long-Chain Fatty Acid, LCFA ）厌氧消化效率和代谢策略的影响。明确了厌氧活性污泥体系中导电材料自然富集电活性微生物（ Electroactive Bacteria, EAB ）和预驯化以 Geobacter 为主导的 EAB 引起的不同微生物互作过程。并且进一步阐述了系统应对高浓度 LCFA 压力的基因调控优势，为富脂废水资源化利用提供了见解 。

引言

长链脂肪酸（ LCFA ）在富脂废水厌氧消化过程中通过包裹细胞和溶解脂质双分子层等过程限制营养物质运输并降低消化效率，提高 LCFA 代谢对脂质资源化具有重要意义。 LCFA 的有效降解依赖 β - 氧化菌和产甲烷菌的互作，而促进该微生物群落中的直接种间电子传递（ Direct Interspecies Electron Transfer, DIET ）比种间氢气传递（ Interspecies Hydrogen Transfer, IHT ）具有显著的热力学优势。加电是促进 DIET 的常见策略，但某些具有较大导电比表面积的电极（例如导电碳刷）自身也充当导电材料增强 DIET 。区分电极本身和电刺激在 LCFA 甲烷化过程中的作用非常重要。因此，本研究探讨了碳刷本身、预驯化 EAB 和电刺激在缓解 LCFA 抑制时的潜在微生物调控机制及最优解 。

图文导读

LCFA 甲烷化效率差异

图 1. （ A ）甲烷产生及拟合。（ B ） 电流产生。（ C ） 甲烷转化效率， 100% 代表油酸钠全部转化为甲烷。（ D ）随时间变化的阴极电位。

施加电位组（ BE-Carbon ）获得了最短的产甲烷停滞期，但是最大产甲烷速率比其他组低 5-13% ，并且油酸钠的甲烷转化率最低。在不降低甲烷转化率的情况下，添加预驯化 EAB 碳刷组（ B-Carbon ）相对于仅添加碳刷组（ Carbon ）和对照组（ Control ）表现出最优的产甲烷性能。其中， BE-Carbon 的最低阴极电位远低于析氢电位，表明产甲烷方式的变化。而 B-Carbon 的阴极电位在整个厌氧消化过程中实现基本维持——由于没有添加额外电子受体， EAB 的存活可能得益于 DIET 过程的建立。

缓解 LCFA 抑制的 VFAs 利用和能量代谢策略

图 2. VFAs 含量：（ A ） Control ；（ B ） Carbon ；（ C ） B-Carbon ；（ D ） BE-Carbon 。（ E ） pH 随时间变化。（ F ）反应结束时 ATP 和 CytC 含量。

相比于 Control ， Carbon 和 B-Carbon 中 VFAs 积累量明显降低， pH 也相对升高，表明碳刷的加入缓解了酸抑制。其中， B-Carbon 中在反应末期具有最少的丙酸，说明预驯化 EAB 利于加速丙酸代谢。 BE-Carbon 悬浮液（ S ）中 F-type ATPase 相关基因丰度和 CytC 含量最高，暗示了活跃的细菌代谢与电子传递过程。同时， BE-Carbon.S 中 V/A-type ATPase 含量低于 Control ，这与甲烷产量相对应。 B-Carbon.S 和 Carbon.S 中的细菌代谢与电子传递过程也相对 Control 更活跃，而由于甲烷菌主要富集在碳刷上而不是悬浮液中，其 V/A-type ATPase 相关基因丰度较低。

微生物群落的适应性改变

图 3. （ A ）基于宏基因组分析的 TOP 20 属水平微生物。（ B ）各组 mcrA 基因拷贝数。（ C ）阴极生物膜中 TOP 10 产甲烷菌特异性分析。

BE-Carbon 中氢“损失”型代谢策略

图 4. LCFA 降解、产电、丙酸互营氧化和同型产乙酸过程的代谢耦合模型及各组相应的关键酶表达水平。

图 5. （ A ）关键种水平的物种分析。（ B ） BE-Carbon 中重要代谢通路之间关系的概念图。

但是， Acetoanaerobium noterae 的丰度显著升高，说明部分阴极产生的氢气进入到同型产乙酸过程中，伴随着 BE-Carbon 中产甲烷相关基因降低。由于在高产氢的电促厌氧消化系统中，同型产乙酸过程具有可观的热力学可行性，并且，阳极乙酸产电过程相较于乙酸型产甲烷过程有显著的热力学优势，同型产乙酸菌产生的乙酸倾向于被阳极再次利用，造成了向甲烷转化的氢气的“损失” 。

B-Carbon 中 LCFA 高效代谢的复合机制

图 6. （ A ）各个产甲烷途径的基因表达水平和概念图。（ B ） B-Carbon 和 Carbon 中与产甲烷相关功能基因的微生物分配。

在 Carbon.A 中，各个产甲烷通路相较于 Control 都增强。在此基础上， B-Carbon.A 中乙酸 /CO ₂ / 共同通路中产甲烷过程进一步增强。 B-Carbon 系统里 Methanothrix 的 CO ₂ 产甲烷途径主导了甲烷产生。而 Methanothrix 无法直接利用 H ₂ /CO ₂ ，并且氢化酶表达较弱，暗示通过 H ⁺ /CO ₂ 直接向甲烷的转换。同时， Geobacter 在 B-Carbon 中分配到与 e-pili 和细胞色素相关基因，而在 Carbon 中没有检测到—— B-Carbon 中 Geobacter 和 Methanothrix 之间可能发生潜在的 DIET 以刺激 Methanothrix 生长并维持 Geobacter 活性 。

图 7. （ A ） TOP 15 微生物的 PCA 双标图。（ B ） B-Carbon 中物种之间潜在的 DIET/IHT 模型。（ C ） KEGG LEVEL 3 中相关功能的相对丰度。（ D ） B-Carbon 相较于 Carbon 和 Control 抵御 LCFA 压力的可能优势。

另一方面， Syntrophomonas 在 PCA 双标图中接近 B-Carbon ，并且也在其中检测到与 e-pili 和细胞色素 c 相关基因。 Syntrophomonas 代谢 LCFA 产生 H ₂ 和乙酸，作为 Geobacter 的可用底物，二者可能与 Methanothrix 一起执行基于 DIET 的互营策略。而 Methanospirillum 也能够利用 B-Carbon 中各种优势互营酸代谢菌产生的 H ₂ 进行合作促进丙酸等 VFAs 的降解。 DIET 和 IHT 复合机制共同加速了 LCFA 降解和甲烷产生。

LCFA 压力下微生物的抵抗机制

双组分系统、 ABC 转运体和脂多糖生物合成等功能都在碳刷添加后增强，表明信号分子运输和感知能力的增强，有助于微生物对环境的适应性反应。在高浓度 LCFA 胁迫下，预驯化的 EAB 进一步加强了核糖体相关过程和 DNA 复制系统，以支持微生物生长和修复。对群体感应（ Quorum Sensing, QS ）的相关基因新型统计和分析表明，碳刷和预驯化 EAB 的联合应用显著提高了碳刷上 AI-2 、 GABA 和 DSF 型 QS 的表达，这对微生物适应环境挑战（如酸积累）和建立有效的甲烷生成模式非常重要。

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在厌氧活性污泥体系的 LCFA 甲烷化过程中，碳刷固有的 DIET 潜力使其自身比额外的电刺激表现更好。虽然施加阳极电位是缩短甲烷生产滞后期的最有效方法，但阴极产生的氢气会部分分流至同型产乙酸过程进而产电，导致总甲烷产量最低。相比之下，预先富集 EAB 的碳刷通过增强电子传递过程和细菌代谢来优化 AD 性能，导致 VFAs （特别是丙酸）的快速消耗。 Syntrophomonas ， Geobacter 和 Methanothrix 建立了一个有效的 DIET 机制，主导微生物相互作用；并通过 Methanospirillum 和互营酸氧化微生物的 IHT 过程进行补充。与细胞信号传导、物质转运以及细胞生长和代谢过程相关的基因显著上调。这些发现阐明了碳刷上预驯化的 EAB 促进 LCFA 有效降解的确切微生物过程，为 LCFA 的节能型资源利用提供了见解。