混合电子供体在非光合微生物菌群固定CO2过程中的增效机制研究

发展微生物固碳技术对于环境中CO2的吸收与资源化具有重要意义。然而目前公认具有较高固碳效率的微生物主要是光合微生物和化能自养菌中的氢-氧化细菌。由于这些微生物在固碳时需要光照或以氢气为电子供体，在大型反应器中应用存在一定困难。我们前期的研究已从海洋中分选到一群不以氢气为电子供体的高效非光合固碳微生物，并发现一些还原性无机物组成混合电子供体可显著提升该菌群的固碳效率。然而，由于混合菌群和混合电子供体间相互作用的复杂性，在未全面阐明混合电子供体促进该菌群固碳效率机制的情况下，反应过程中的电子供体浓度与配比较难与混合菌群达成理想而动态的匹配，从而导致微生物固碳效率的不稳定。从混合电子供体的能效与微生物可利用性角度，结合非光合菌群对混合电子供体的生化、生态响应等方面入手，系统阐明混合电子供体的增效机制，将为稳定地控制混合电子供体促进下的非光合微生物菌群的固碳过程，进一步提升其固碳效率提供理论指导。

前期的研究已从海洋中分选到一群不以氢气为电子供体的非光合固碳微生物（NPMC），并发现一些还原性无机物组成混合电子供体（MED）可显著提升该菌群的固碳效率。然而，其作用机制并不清楚。本研究在验证了混合电子供体促进非光合微生物菌群固碳效率的普遍性基础上，从混合电子供体的能效与微生物可利用性、混合电子供体对非光合微生物菌群和关键固碳酶基因转录与催化活性的影响、混合电子供体对微生物胞外游离有机物的影响等方面入手，系统研究了混合电子供体促进非光合微生物菌群固碳效率的作用机制。结果表明，Na2S，NaNO2和Na2S2O3组成的混合电子供体可普遍促进来至于全球海洋的非光合微生物菌群的固碳效率；可同时作为电子供体和受体的NaNO2, 与Na2S和Na2S2O3形成一个电子供体能量梯级释放系统，促进了微生物对能量的利用效率，提高了其固碳能力；混合电子供体通过定向改变菌群中自养菌的结构，有利于具有高效固碳途径（主要固碳基因是cbbL和cbbM）自养菌的繁衍，从而促进固碳效率；混合电子供体有利于菌群中具有高异养代谢能力菌的存在，从而可有效代谢菌群中自养菌固碳产生的胞外有机碳，解除了游离有机碳对自养菌固碳过程的反馈抑制，促进了菌群的表观固碳效率。在此基础上进一步研究了中国南海海域主要固碳基因与非光合微生物菌群的空间分布格局及其在不同电子供体条件下的固碳潜能（PCFC），结果发现南海表层海水中的cbbL基因丰度高于cbbM，而深层海水中的则相反，其中不同深度海水中微生物群落结构的差异是导致固碳基因分布差异的重要原因。与此对应的是深层海水中非光合微生物菌群在S为基质的培养基中固碳潜力较高，而浅层海水中的微生物固碳潜能对H2的响应较显著。研究结果为进一步优化电子供体结构和配比，以及获得更高效的非光固碳合微生物菌群提供了理论指导。