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型產甲烷作用

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甲烷菌之間的直接種間電子傳遞（DIET），從而改善互營產甲烷過程。然而，納米Fe3O4是否以及如何影響乙酸營養型產甲烷作用尚不清楚。本研究證明了納米Fe3O4在富集甲烷八疊球菌（Methanosarcina）的培養物中加速直接乙酸營養型產甲烷作用的獨特作用，這一點在巴氏甲烷八疊球菌（Methanosarcina barkeri）的純培養中得到了進一步證實。與具有更高電導率的其他納米材料（如碳納米管和石墨）相比，具有混合價態Fe(II)和Fe(III)的納米Fe3O4對甲烷生產的刺激作用最為顯著，這表明其氧化還原活性而非電導率導致了巴氏甲烷八疊球菌產甲烷作用的增強。細胞形態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中。這些結果提供了一個前所未有的可能性，即納米Fe3O4在產甲烷菌的細胞膜中作為電子穿梭體，促進細胞內電子傳遞，從而增強甲烷生產。這項工作不僅對理解礦物-產甲烷菌相互作用的機制具有重要意義，而且對優化工程產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型產甲烷作用，特別是其在直接乙酸營養型產甲烷途徑中的作用機制，而非先前關注的種間電子傳遞（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）的產甲烷效率，并闡明其氧化還原活性相對于電導率的主導作用。

 

研究思路

研究思路通過富集培養和純培養實驗相結合的方法實現。首先，利用濕地沉積物進行富集培養，連續傳代培養并添加納米Fe3O4，以富集乙酸營養型產甲烷菌。通過同位素標記（13C-乙酸）和DNA穩定性同位素探針（DNA-SIP）技術追蹤活性微生物并明確產甲烷途徑。其次，使用巴氏甲烷八疊球菌純培養物，比較納米Fe3O4與其他納米材料（如碳納米管、石墨納米顆粒）對產甲烷的影響。通過電化學分析（循環伏安法、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。

 

測量的數據及研究意義

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

 

2 同位素比值（δ13C）數據：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甲烷主要通過直接乙酸裂解途徑（乙酸營養型）進行，而非互營氧化途徑。

 

3 微生物群落分析數據：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。

 

 

 

4 電化學分析數據：來自Figure 8。循環伏安法（CV）顯示添加納米Fe3O4后系統電容增加，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 顯微鏡和光譜學數據：來自Figure 3和Figure 7。TEM顯示納米Fe3O4穿透細胞膜進入細胞質；XRD和拉曼光譜證實納米Fe3O4在培養后結構變化（如部分氧化為赤鐵礦）。研究意義在于可視化納米Fe3O4的細胞內定位，并提供其參與細胞內氧化還原反應的證據。

 

 

6 氧化還原電位（ORP）數據：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改變了系統的氧化還原環境，可能影響產甲烷菌的電子傳遞過程。

 

結論

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

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，作為固體電子穿梭體促進細胞內電子傳遞，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型產甲烷菌，這為優化產甲烷過程提供了新策略，例如在厭氧消化器中添加納米Fe3O4以提高甲烷產量。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense RD 100氧化還原微電極測量氧化還原電位（ORP），數據來自Figure 7E。研究意義在于提供了納米Fe3O4對培養系統氧化還原環境影響的直接證據。測量顯示，添加納米Fe3O4后，ORP從-350 mV升高至-300 mV，表明系統氧化性增強，這可能影響了產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甲烷作用。Unisense電極的高精度測量確保了數據的可靠性，為理解納米材料與微生物的相互作用提供了關鍵的環境參數。