NanoFe3O4 as Solid Electron Shuttles to Accelerate Acetotrophic Methanogenesis by Methanosarcina barkeri

納米四氧化三鐵作為固體電子穿梭體加速巴氏甲烷八疊球菌的乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷作用

來源：Frontiers in Microbiology, Volume 10, Article 388, March 2019

《微生物學前沿》，第10卷，文章編號388，2019年3月

 

摘要

摘要指出，磁性納米四氧化三鐵（nanoFe3O4）已被證明能夠促進互營細菌和產(chǎn)甲烷菌之間的直接種間電子傳遞（DIET），從而改善互營產(chǎn)甲烷過程。然而，納米Fe3O4是否以及如何影響乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷作用尚不清楚。本研究證明了納米Fe3O4在富集甲烷八疊球菌（Methanosarcina）的培養(yǎng)物中加速直接乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷作用的獨特作用，這一點在巴氏甲烷八疊球菌（Methanosarcina barkeri）的純培養(yǎng)中得到了進一步證實。與具有更高電導(dǎo)率的其他納米材料（如碳納米管和石墨）相比，具有混合價態(tài)Fe(II)和Fe(III)的納米Fe3O4對甲烷生產(chǎn)的刺激作用最為顯著，這表明其氧化還原活性而非電導(dǎo)率導(dǎo)致了巴氏甲烷八疊球菌產(chǎn)甲烷作用的增強。細胞形態(tài)學和光譜學分析表明，納米Fe3O4滲透到了巴氏甲烷八疊球菌的細胞膜和細胞質(zhì)中。這些結(jié)果提供了一個前所未有的可能性，即納米Fe3O4在產(chǎn)甲烷菌的細胞膜中作為電子穿梭體，促進細胞內(nèi)電子傳遞，從而增強甲烷生產(chǎn)。這項工作不僅對理解礦物-產(chǎn)甲烷菌相互作用的機制具有重要意義，而且對優(yōu)化工程產(chǎn)甲烷過程也具有重要價值。

 

研究目的

研究目的是探究納米四氧化三鐵（nanoFe3O4）是否以及如何影響乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷作用，特別是其在直接乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑中的作用機制，而非先前關(guān)注的種間電子傳遞（DIET）。重點在于驗證納米Fe3O4能否作為固體電子穿梭體，增強巴氏甲烷八疊球菌（Methanosarcina barkeri）的產(chǎn)甲烷效率，并闡明其氧化還原活性相對于電導(dǎo)率的主導(dǎo)作用。

 

研究思路

研究思路通過富集培養(yǎng)和純培養(yǎng)實驗相結(jié)合的方法實現(xiàn)。首先，利用濕地沉積物進行富集培養(yǎng)，連續(xù)傳代培養(yǎng)并添加納米Fe3O4，以富集乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌。通過同位素標記（13C-乙酸）和DNA穩(wěn)定性同位素探針（DNA-SIP）技術(shù)追蹤活性微生物并明確產(chǎn)甲烷途徑。其次，使用巴氏甲烷八疊球菌純培養(yǎng)物，比較納米Fe3O4與其他納米材料（如碳納米管、石墨納米顆粒）對產(chǎn)甲烷的影響。通過電化學分析（循環(huán)伏安法、電化學阻抗譜）、顯微鏡觀察（SEM、TEM）和光譜學分析（XRD、拉曼光譜）等手段，探究納米Fe3O4的作用位點和機制。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 甲烷產(chǎn)量和乙酸消耗數(shù)據(jù)：來自Figure 1和Figure 2。數(shù)據(jù)顯示，添加納米Fe3O4顯著縮短了產(chǎn)甲烷的滯后期并提高了最大產(chǎn)甲烷速率，且在富集培養(yǎng)和純培養(yǎng)中均觀察到促進作用。研究意義在于直接證明了納米Fe3O4對乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷的增強效應(yīng)，而非通過促進互營途徑。

 

2 同位素比值（δ13C）數(shù)據(jù)：來自Figure 2。使用13C標記的乙酸后，CH4的δ13C值迅速增加，而CO2的δ13C值僅輕微變化。研究意義在于確認產(chǎn)甲烷主要通過直接乙酸裂解途徑（乙酸營養(yǎng)型）進行，而非互營氧化途徑。

 

3 微生物群落分析數(shù)據(jù)：來自Figure 4、Figure 5和Figure 6。通過DNA-SIP和T-RFLP分析，顯示甲烷八疊球菌（Methanosarcina）是主要的產(chǎn)甲烷菌，且納米Fe3O4處理下Azonexus等細菌相對豐度變化。研究意義在于表明納米Fe3O4促進了特定功能微生物的富集，可能與電子傳遞相關(guān)。

 

 

 

4 電化學分析數(shù)據(jù)：來自Figure 8。循環(huán)伏安法（CV）顯示添加納米Fe3O4后系統(tǒng)電容增加，電化學阻抗譜（EIS）顯示電子傳遞電阻降低。研究意義在于表明納米Fe3O4增強了系統(tǒng)的氧化還原活性和電子傳遞效率，支持其作為電子穿梭體的角色。

 

5 顯微鏡和光譜學數(shù)據(jù)：來自Figure 3和Figure 7。TEM顯示納米Fe3O4穿透細胞膜進入細胞質(zhì)；XRD和拉曼光譜證實納米Fe3O4在培養(yǎng)后結(jié)構(gòu)變化（如部分氧化為赤鐵礦）。研究意義在于可視化納米Fe3O4的細胞內(nèi)定位，并提供其參與細胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)的證據(jù)。

 

 

6 氧化還原電位（ORP）數(shù)據(jù)：來自Figure 7E。使用丹麥Unisense RD 100微電極測量，顯示添加納米Fe3O4后ORP升高約50 mV。研究意義在于表明納米Fe3O4改變了系統(tǒng)的氧化還原環(huán)境，可能影響產(chǎn)甲烷菌的電子傳遞過程。

 

結(jié)論

1 納米Fe3O4通過其氧化還原活性而非電導(dǎo)率，特異性增強乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷作用，顯著提高甲烷產(chǎn)率和縮短滯后期。

2 納米Fe3O4能夠穿透巴氏甲烷八疊球菌的細胞膜進入細胞質(zhì)，作為固體電子穿梭體促進細胞內(nèi)電子傳遞，可能模擬了天然電子載體（如甲烷吩嗪）的功能。

3 納米Fe3O4的促進作用不依賴于互營途徑，而是直接作用于乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，這為優(yōu)化產(chǎn)甲烷過程提供了新策略，例如在厭氧消化器中添加納米Fe3O4以提高甲烷產(chǎn)量。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense RD 100氧化還原微電極測量氧化還原電位（ORP），數(shù)據(jù)來自Figure 7E。研究意義在于提供了納米Fe3O4對培養(yǎng)系統(tǒng)氧化還原環(huán)境影響的直接證據(jù)。測量顯示，添加納米Fe3O4后，ORP從-350 mV升高至-300 mV，表明系統(tǒng)氧化性增強，這可能影響了產(chǎn)甲烷菌的電子傳遞平衡。ORP的升高與納米Fe3O4的氧化還原活性一致，支持了其作為電子穿梭體的機制，即通過促進電子傳遞來增強產(chǎn)甲烷作用。Unisense電極的高精度測量確保了數(shù)據(jù)的可靠性，為理解納米材料與微生物的相互作用提供了關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)。