微生物种间直接电子传递方式耦合产甲烷研究进展
发布时间：2021-06-06 10:59
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。
【文章来源】：高校化学工程学报. 2019,33(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
可能的微生物间直接电子传递模型[15]Propionate(B)directelectrontransferbetweenothermicroorganismsandmethanogens–●–cytochromec–▲–cytochromec—
1306高校化学工程学报2019年12月CH4+2H2O2Ethanol2AcetateGeobacterMethanosarcina8H++CO2(semi)conductivematerial(A)geobacterandMethanosarcinaAceticacidBiocarbonateMethaneMagnetiteElectronconduitPropionicacid(B)propionate-oxidizingacetogensandMethanosaeta[4]图2半导体及导体材料介导的微生物间直接电子传递Fig.2Directinterspecieselectrontransfermediatedby(semi)conductivematerials此外，在厌氧消化系统中添加导电材料会影响系统的菌群组成。SHRESTHA等[40]研究了厌氧消化反应器中微生物菌群与颗粒炭导电性的相关性，结果发现反应器中Geobacterspp的丰度与颗粒炭导电性具有中度相关性。YANG等[28]在厌氧污泥消化过程中加入颗粒活性炭，结果发现颗粒活性炭的加入明显有利于H2利用产甲烷菌、Geobacterspp及其他能种间直接电子传递产甲烷菌的富集。在厌氧消化体系中，导电材料的加入主要富集到Geobacterspp、Syntrophomonasspp、Methanosaetaspp、Methanosarcinaspp、及Methanospirillumspp等特殊的菌群[22]。导电材料除了通过其导电性可以强化DIET、促进甲烷生成及影响系统的菌群组成外，还可以提高产甲烷系统对不利环境的抵抗能力。在传统的厌氧消化产甲烷系统中，高有机负荷极易造成酸化和较高的氢气分压，而较高的氢气分压又不利于丙酸及丁酸等中间产物进一步降解为产甲烷菌能利用的乙酸和氢气，从而导致丙酸及丁酸等中间产物的积累，丙酸的积累又会抑制产甲烷菌的活性及有机物的进一步降解。因此，在在传统的厌氧消化产甲烷系统中，厌氧消化产甲
H及CoB-SH。与此同时，对何种产甲烷菌能通过DIET方式接受胞外电子及产甲烷菌接受胞外电子机制的异同都缺乏了解。因此，今后微生物间DIET方式耦合产甲烷研究应主要集中在以下5个方面：(1)DIET方式耦合产甲烷co-culture中电子供体微生物及电子受体微生物的筛癣富集及鉴定；(2)电子供体微生物胞外电子传递的机制；(3)电活性产甲烷菌接受胞外电子的机制；(4)产甲烷菌直接利用胞外电子生成CO2还原为甲烷时所需的Fdred、F420H2、CoM-SH及CoB-SH的机制；图4G.metallireducens与M.harundinacea6Ac耦合代谢乙醇产甲烷模型[5]Fig.4AproposedmodelofG.metallireducensandM.harundinacea6Acco-culturingforconvertingethanoltomethane[5](1)ethanoldehydrogenase;(2)NADHdehydrogenasecomplex;(3)thestructuralproteinsforconductivepilinusedduringDIET;(4)aldehyde-ferredoxinoxidoreductase;(5)Na+/solutesymporter;(6)acetyl-CoAsynthetase;(7)COdehydrogenase/acetyl-CoAsynthase;(8)tetrahydromethanopterin(H4MPT)-S-methyltransferase;(9)methyl-CoMreductase;(10)CoM-S-S-CoBheterodisulfidereductase;(10)formylmethanofurandehydrogenase;(11)formylmethanofuran-H4MPTformyltransferase;(12)methenyl-H4MPTcyclohydrolase;(13)F420-dependentmethylene-H4MPTdehydrogenase;and(14),(15)F420-dependentmethyleneH4MPTreductase;Fdred:reducedferredoxin;Fdox:oxidizedferredoxin;CoM-SH:coenzymeM;CoB-SH:coenzymeB;CoM-S-S-CoB:heterodisulfideofCoM-SHandCoB-SH;F420:oxidizedcoenzymeF420;F420H2
【参考文献】：
期刊论文
[1]产甲烷分离物中Clostridium spp.与Methanosarcina barkeri潜在的种间直接电子传递[J]. 李莹,郑世玲,张洪霞,王炳臣,王欧美,刘芳华. 微生物学通报. 2017(03)
本文编号：3214246
【文章来源】：高校化学工程学报. 2019,33(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
可能的微生物间直接电子传递模型[15]Propionate(B)directelectrontransferbetweenothermicroorganismsandmethanogens–●–cytochromec–▲–cytochromec—
1306高校化学工程学报2019年12月CH4+2H2O2Ethanol2AcetateGeobacterMethanosarcina8H++CO2(semi)conductivematerial(A)geobacterandMethanosarcinaAceticacidBiocarbonateMethaneMagnetiteElectronconduitPropionicacid(B)propionate-oxidizingacetogensandMethanosaeta[4]图2半导体及导体材料介导的微生物间直接电子传递Fig.2Directinterspecieselectrontransfermediatedby(semi)conductivematerials此外，在厌氧消化系统中添加导电材料会影响系统的菌群组成。SHRESTHA等[40]研究了厌氧消化反应器中微生物菌群与颗粒炭导电性的相关性，结果发现反应器中Geobacterspp的丰度与颗粒炭导电性具有中度相关性。YANG等[28]在厌氧污泥消化过程中加入颗粒活性炭，结果发现颗粒活性炭的加入明显有利于H2利用产甲烷菌、Geobacterspp及其他能种间直接电子传递产甲烷菌的富集。在厌氧消化体系中，导电材料的加入主要富集到Geobacterspp、Syntrophomonasspp、Methanosaetaspp、Methanosarcinaspp、及Methanospirillumspp等特殊的菌群[22]。导电材料除了通过其导电性可以强化DIET、促进甲烷生成及影响系统的菌群组成外，还可以提高产甲烷系统对不利环境的抵抗能力。在传统的厌氧消化产甲烷系统中，高有机负荷极易造成酸化和较高的氢气分压，而较高的氢气分压又不利于丙酸及丁酸等中间产物进一步降解为产甲烷菌能利用的乙酸和氢气，从而导致丙酸及丁酸等中间产物的积累，丙酸的积累又会抑制产甲烷菌的活性及有机物的进一步降解。因此，在在传统的厌氧消化产甲烷系统中，厌氧消化产甲
H及CoB-SH。与此同时，对何种产甲烷菌能通过DIET方式接受胞外电子及产甲烷菌接受胞外电子机制的异同都缺乏了解。因此，今后微生物间DIET方式耦合产甲烷研究应主要集中在以下5个方面：(1)DIET方式耦合产甲烷co-culture中电子供体微生物及电子受体微生物的筛癣富集及鉴定；(2)电子供体微生物胞外电子传递的机制；(3)电活性产甲烷菌接受胞外电子的机制；(4)产甲烷菌直接利用胞外电子生成CO2还原为甲烷时所需的Fdred、F420H2、CoM-SH及CoB-SH的机制；图4G.metallireducens与M.harundinacea6Ac耦合代谢乙醇产甲烷模型[5]Fig.4AproposedmodelofG.metallireducensandM.harundinacea6Acco-culturingforconvertingethanoltomethane[5](1)ethanoldehydrogenase;(2)NADHdehydrogenasecomplex;(3)thestructuralproteinsforconductivepilinusedduringDIET;(4)aldehyde-ferredoxinoxidoreductase;(5)Na+/solutesymporter;(6)acetyl-CoAsynthetase;(7)COdehydrogenase/acetyl-CoAsynthase;(8)tetrahydromethanopterin(H4MPT)-S-methyltransferase;(9)methyl-CoMreductase;(10)CoM-S-S-CoBheterodisulfidereductase;(10)formylmethanofurandehydrogenase;(11)formylmethanofuran-H4MPTformyltransferase;(12)methenyl-H4MPTcyclohydrolase;(13)F420-dependentmethylene-H4MPTdehydrogenase;and(14),(15)F420-dependentmethyleneH4MPTreductase;Fdred:reducedferredoxin;Fdox:oxidizedferredoxin;CoM-SH:coenzymeM;CoB-SH:coenzymeB;CoM-S-S-CoB:heterodisulfideofCoM-SHandCoB-SH;F420:oxidizedcoenzymeF420;F420H2
【参考文献】：
期刊论文
[1]产甲烷分离物中Clostridium spp.与Methanosarcina barkeri潜在的种间直接电子传递[J]. 李莹,郑世玲,张洪霞,王炳臣,王欧美,刘芳华. 微生物学通报. 2017(03)
本文编号：3214246
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