Hydrogen-based syntrophy in an electrically conductive biofilm anode

導(dǎo)電生物膜陽(yáng)極中基于氫的合成

來(lái)源：Chemical Engineering Journal 359 (2019) 208–216

 

摘要概括

摘要指出，研究團(tuán)隊(duì)在一個(gè)以正丁酸為底物的生物膜陽(yáng)極中，發(fā)現(xiàn)了高達(dá) 0.67 mS/cm 的電導(dǎo)率，證明胞外電子傳遞并非電流密度的限制因素。研究證實(shí)了 基于氫氣的互養(yǎng)關(guān)系 在該導(dǎo)電生物膜中起著關(guān)鍵作用：丁酸通過(guò)氧化產(chǎn)乙酸作用被降解為乙酸和氫氣，而生成的氫氣又被產(chǎn)乙酸菌（如 Sphaerochaeta和 Treponema）消耗，從而驅(qū)動(dòng)熱力學(xué)上不利的丁酸降解反應(yīng)。通過(guò)使用丹麥Unisense微電極進(jìn)行的原位監(jiān)測(cè)，直接證實(shí)了在電流產(chǎn)生過(guò)程中生物膜內(nèi)存在氫氣的產(chǎn)生（最高達(dá)12.4μM）和消耗。這表明，即使生物膜是導(dǎo)電的，氫基互養(yǎng)對(duì)于丁酸的利用仍然至關(guān)重要。

 

研究目的

本研究主要有四個(gè)目的：

 

證明互養(yǎng)作用：驗(yàn)證在利用丁酸的微生物電化學(xué)系統(tǒng)中，發(fā)酵菌、氫氣消耗者和產(chǎn)電菌之間協(xié)同互養(yǎng)關(guān)系的必要性。

驗(yàn)證互養(yǎng)機(jī)制：通過(guò)熱力學(xué)分析、分子生物學(xué)技術(shù)和溶解氫濃度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，證實(shí)與閾值氫氣濃度相關(guān)的互養(yǎng)作用。

闡明降解路徑：明確丁酸在生物膜陽(yáng)極中的降解途徑。

 

識(shí)別限速步驟：量化生物膜的電導(dǎo)率，以評(píng)估電流密度的限制環(huán)節(jié)是發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)部（微生物互養(yǎng)代謝）還是細(xì)胞外部（電子傳遞）。

 

研究思路

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了四種不同的微生物電化學(xué)反應(yīng)器來(lái)達(dá)成上述目標(biāo)：

 

MxC-1：用于常規(guī)運(yùn)行，監(jiān)測(cè)電流密度和揮發(fā)性脂肪酸的變化，驗(yàn)證丁酸降解模式。

MxC-2：專門用于使用丹麥Unisense氫氣微電極，將電極尖端靠近陽(yáng)極表面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氫氣濃度的動(dòng)態(tài)變化，直接證明氫氣的產(chǎn)生與消耗。

MxC-3：采用帶有微小間隙的雙金電極設(shè)計(jì)，用于直接測(cè)量生物膜的電導(dǎo)率。

 

MxC-4：用于驗(yàn)證產(chǎn)電菌是否能直接利用氫氣作為電子 donor（結(jié)果發(fā)現(xiàn)不能）。

此外，還設(shè)置了血清瓶實(shí)驗(yàn)（無(wú)陽(yáng)極呼吸）作為對(duì)照，并進(jìn)行了微生物群落分析（高通量測(cè)序）以鑒定關(guān)鍵菌群。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

電流密度與揮發(fā)性脂肪酸

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2 展示了MxC-1中電流密度以及正丁酸、異丁酸和乙酸濃度隨時(shí)間的變化曲線。

 

研究意義：電流的產(chǎn)生與丁酸的消耗同步進(jìn)行，并伴有異丁酸和乙酸的中間積累和降解。這為丁酸通過(guò)氧化產(chǎn)乙酸途徑降解提供了間接證據(jù)，暗示了需要?dú)錃庀恼邅?lái)維持低氫分壓，驅(qū)動(dòng)熱力學(xué)反應(yīng)。

 

溶解氫氣濃度

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖5 展示了MxC-2中電流密度和陽(yáng)極表面溶解氫氣濃度的同步變化。

 

研究意義：這是本研究的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)之一。它首次直接證實(shí)了在電流產(chǎn)生過(guò)程中，生物膜內(nèi)確實(shí)發(fā)生了氫氣的產(chǎn)生和消耗。氫氣濃度在電流急劇上升時(shí)快速下降，將微生物代謝與電化學(xué)活性直接聯(lián)系起來(lái)，為氫基互養(yǎng)理論提供了最直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

 

生物膜電導(dǎo)率

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖6 展示了MxC-3中測(cè)得的生物膜電導(dǎo)率，穩(wěn)定在 0.67 ± 0.14 mS/cm。

 

研究意義：該數(shù)值與以乙酸為底物的Geobacter富集生物膜的電導(dǎo)率相當(dāng)。這表明，盡管底物復(fù)雜、涉及多種微生物互養(yǎng)，但生物膜本身具有高度的導(dǎo)電性，胞外電子傳遞并非電流產(chǎn)生的限制因素。計(jì)算表明，EET理論可支持高達(dá)~30 A/m2的電流密度，遠(yuǎn)高于實(shí)際觀測(cè)值。

 

微生物群落結(jié)構(gòu)

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖4 顯示了生物膜和懸浮細(xì)胞在門水平和屬水平的群落組成。

 

研究意義：測(cè)序結(jié)果顯示，生物膜中Geobacter（83.6%） 占絕對(duì)主導(dǎo)，同時(shí)存在已知的產(chǎn)乙酸菌屬 Sphaerochaeta 和 Treponema。這從微生物組成上支持了Geobacter（產(chǎn)電菌）與產(chǎn)乙酸菌（氫氣消耗者）之間互養(yǎng)關(guān)系的假說(shuō)。

 

血清瓶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：表1 列出了在無(wú)陽(yáng)極呼吸的血清瓶中，72小時(shí)后各脂肪酸和沼氣的濃度變化。

 

研究意義：在沒(méi)有陽(yáng)極作為最終電子受體的條件下，丁酸降解和氫氣產(chǎn)生很快停止。這反證了產(chǎn)電菌通過(guò)陽(yáng)極呼吸消耗乙酸，對(duì)于維持整個(gè)互養(yǎng)鏈條的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

在以丁酸為底物的生物膜陽(yáng)極中，存在一種由產(chǎn)電菌（Geobacter）、發(fā)酵菌和產(chǎn)乙酸菌（氫氣消耗者）構(gòu)成的氫基互養(yǎng)關(guān)系，這是驅(qū)動(dòng)丁酸有效降解和產(chǎn)電的關(guān)鍵。

盡管該生物膜具有高導(dǎo)電性（0.67 mS/cm），表明直接種間電子傳遞可能存在，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地證明了氫基互養(yǎng)在其中扮演著不可或缺的角色。

 

電流密度的主要限制因素并非胞外電子傳遞，而是細(xì)胞內(nèi)/細(xì)胞間的電子傳遞過(guò)程，即涉及丁酸發(fā)酵、氫氣消耗和乙酸氧化的復(fù)雜微生物代謝動(dòng)力學(xué)。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

使用丹麥Unisense氫氣微電極進(jìn)行原位測(cè)量的數(shù)據(jù)（圖5）具有重要的研究意義：

 

提供了直接證據(jù)，打破了間接推論的局限：過(guò)去關(guān)于生物膜陽(yáng)極中互養(yǎng)作用的研究，大多依賴于末端產(chǎn)物分析和微生物群落測(cè)序等間接證據(jù)。本研究通過(guò)高精度微電極直接捕捉到氫氣濃度的動(dòng)態(tài)變化，將“黑箱”中的微觀代謝過(guò)程以定量數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)出來(lái)，使氫基互養(yǎng)從“假說(shuō)”變?yōu)椤翱捎^測(cè)的現(xiàn)象”。

 

將熱力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完美銜接：研究前期通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算（圖3）預(yù)測(cè)了驅(qū)動(dòng)丁酸發(fā)酵所需的閾值氫氣濃度（0.1-7.2μM）。Unisense電極測(cè)量到的氫氣濃度（最高12.4μM，隨后降至3.5μM）與理論計(jì)算的閾值高度吻合。這不僅驗(yàn)證了熱力學(xué)分析的準(zhǔn)確性，也證明了微生物生態(tài)系統(tǒng)確實(shí)通過(guò)高效的氫氣消耗，將氫分壓維持在允許丁酸降解的熱力學(xué)窗口內(nèi)。

揭示了代謝與電化學(xué)活性的實(shí)時(shí)耦合關(guān)系：圖5中藍(lán)色高亮區(qū)域顯示，電流密度的急劇上升與溶解氫氣濃度的驟降在時(shí)間上高度同步。這一現(xiàn)象清晰地表明，氫氣被消耗的過(guò)程（很可能是產(chǎn)乙酸菌將其轉(zhuǎn)化為乙酸）直接為產(chǎn)電菌（Geobacter）提供了更易利用的底物（乙酸），從而迅速提升了電流輸出。這直觀地展示了不同微生物功能群在時(shí)間和空間上的協(xié)同作用。

 

為優(yōu)化系統(tǒng)性能指明方向：該測(cè)量結(jié)果證實(shí)，即使在高導(dǎo)電生物膜中，氫氣介導(dǎo)的代謝途徑仍是瓶頸。因此，要提升利用復(fù)雜底物（如丁酸）的微生物電化學(xué)系統(tǒng)的性能，未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)放在如何優(yōu)化和加速這種微生物互養(yǎng)代謝網(wǎng)絡(luò)上，例如，通過(guò)調(diào)控群落結(jié)構(gòu)或環(huán)境條件來(lái)促進(jìn)氫氣的高效循環(huán)，而不是僅僅關(guān)注生物膜的導(dǎo)電性。

 

總之，丹麥Unisense電極的應(yīng)用為本研究提供了最關(guān)鍵的直接證據(jù)，極大地增強(qiáng)了對(duì)生物膜陽(yáng)極中復(fù)雜微生物互養(yǎng)過(guò)程的理解深度和說(shuō)服力。