近日，香港科技大学曾超华团队
和
内华达大学
Eakalak Khan
在环境领域著名学术期刊
Environmental Science &
Technology
上发表了题为
“Facilitating intracellular electron bifurcation by mediating
flavins-based extracellular and transmembrane electron transfer: A novel role
of pyrogenic carbon in dark fermentation for hydrogen production”
。热解碳被认为是暗发酵制氢的增强剂，但人们对热解碳如何调节细胞外电子转移并影响跨膜呼吸链和细胞内代谢知之甚少。这项研究解决了现有的知识空白，并证明由木材废料制成的热解碳可以显着提高暗发酵制氢性能，添加
800℃
热解产生的热解碳（
PC800
）使氢气产量增加
369.7%
。生化定量、电化学分析和电子呼吸链抑制测试表明，
PC800
促进了细胞外基于黄素的电子传递过程，并进一步激活了跨膜电子传递的加速。宏基因组
/
宏转录组对比分析表明，
Rnf
复合物是与
PC800
介导的胞外电子转移相关的潜在跨膜呼吸酶。基于
NADH/NAD
+
循环，促进的
Rnf
复合物可以刺激电子分叉
Etf/Bcd
复合物的功能和糖酵解的启动。而
Etf/Bcd
复合物的增强可以进一步有助于平衡糖酵解反应的
NADH/NAD
+
水平，同时为
A1
组
[FeFe]
氢化酶提供还原的铁氧还蛋白。这种质子
-
能量联动机制可以实现
ATP
和氢气的耦合生产。这项研究验证了热解碳在介导胞外电子传递和跨膜
/
细胞内途径中的重要作用，并揭示了电子分叉在暗发酵制氢中的关键作用
。
厌氧消化通过微生物将有机物转化为甲烷和二氧化碳，分为水解、酸化、乙酸化和产甲烷四步。本文主要研究酸化阶段的暗发酵过程，发酵细菌在该过程中将有机废物转化为氢气和其他增值产品。由于操作简便且反应周期短，暗发酵被广泛用于处理富含碳水化合物的废水和有机废物，但其在能源生产中的应用受到产氢效率低的限制。研究表明，胞外电子传递（
EET
）是影响暗发酵性能的关键因素。热解碳材料因其经济友好、生物相容和电活性，能够促进微生物的
EET
，增强跨膜电子传递和细胞代谢，从而提高能量获取和底物消耗。在暗发酵过程中，细菌通过释放多余电子产生氢气，但由于缺乏共生伙伴吸收氢气，暗发酵体系内氢分压较高，限制了底物氧化反应的进行。因此，深入理解氢气释放与发酵微生物群落内能量获取的关系至关重要。本研究通过电化学测试、生化定量及多组学分析，探索热解碳在暗发酵中促进电子传递、提升能量回收效率的作用，为提高氢气产量提供新见解
。
图文导读
图
1.
热解碳对暗发酵性能的影响：（
a
）不同条件下氢气产量的变化；（
b
）不同条件下的
VFA
浓度；（
a
）
Spearman
等级相关矩阵显示氢气产量和热解碳性质之间的相关性
图
1
（
a
）显示热解碳的添加促进了氢气产量，与对照反应器相比，添加
PC800
的反应器的最终氢气产量增加了
369.7%
。此外，所有反应器的
VFA
组成中醋酸（
20.7-10.6%
）和丁酸（
32.8-68.7%
）均占主导地位，表明梭菌型发酵可能发挥着关键作用
。
图
2. PC800
在增强暗发酵体系中电子转移方面的作用：（
a
）计时安培法
i-t
测试；（
b
）黄素和
c-Cyts
的浓度；（
c
）电子呼吸链抑制结果；（
d
）核黄素氧化还原的电子转移速率；（
e
）
PC800
增强黄素基电子转移的机制
为了研究热解碳（
PC800
）在暗发酵制氢体系中的作用，对添加
PC800
的菌群进行了分析。从图
2
（
a
）可以看出，
PC800
的加入使最大电流增加了
47.8-87.1%
，证明其促进了胞外电子传递。图
2
（
b
）显示
PC800
的加入不仅增强了胞外聚合物（
EPS
）中的游离核黄素浓度，还增加了胞内黄素单核苷酸（
FMN
）和黄素腺嘌呤二核苷酸（
FAD
）的含量，这两种物质在跨膜电子传递中起重要作用。进一步结合图
2
（
c
，
d
）的结果，可以推测
PC800
增强了核黄素的电子传递速率，提升了跨膜电子传递的效率
。
图
3.
电子载体浓度和酶活性的变化：（
a
）
Etf
的浓度以及
Bcd
和氢化酶的活性；（
b
）电子分叉
Etf/Bcd
复合物的机制；（
c
）
ATP
和铁氧还蛋白浓度；（
d
）
NAD
+
和
NADH
的浓度，以及
NADH/NAD
+
比率
