厌氧消化中直接种间电子传递的新路径及其作用

Discovery of direct interspecies electron transfer (DIET) between Geobacter species and fermentation bacteria is breaking through the traditional knowledge that anaerobic digestion is dependent upon H2 as electron transfer carrier, potentially opening a door to more efficient anaerobic digestion. However, very few strains have been confirmed to be capable of processing DIET, which can only use ethanol as electron donor. In previous studies, adding conductive materials into mixed culture was found to boost DIET, causing remarkable increases of methane production of the anaerobic digestion. Apparently, it is impossible for the few strains to achieve such obvious improvement in the mixed culture. Diversities of microbial species and available substrates in anaerobic digestion pose a great possibility that more kinds of strains participate into DIET. Based on this assumption, a study will be conducted in this proposal to explore new pathways for DIET and their roles in anaerobic digestion, including the following contents: (1) Enriching new strains capable of DIET and finding their roles; (2) Isolation of these new strains and preliminary identification of their function; (3) Further confirming the direct electron transfer between these strains; (4) DIET performance in anaerobic digestion and its regulation. We expect to find the new DIET strains and their function in anaerobic treatment to give a scientific support for further upgrading anaerobic digestion technologies.

地杆菌与发酵微生物之间直接种间电子传递(DIET)的发现，突破了厌氧消化以氢为电子传递载体的传统认识，开启了高效厌氧消化的新思路。但是，目前被证实具有DIET功能的微生物仅限于以乙醇为电子供体的几对微生物。前期研究显示，导体材料对混菌体系DIET的促进，可大幅增加甲烷产量。显然，混菌下如此明显的DIET是不可能单独由几株微生物完成的。我们推测，厌氧微生物及其代谢底物的多样性，为更多种类微生物和底物参与到DIET，提供很大可能。基于此，本课题拟开展厌氧消化中DIET新路径及其作用研究。主要内容包括：(1)厌氧消化中具有DIET功能微生物的富集与作用规律；(2) DIET微生物的分离提纯与功能的初步确认；(3) DIET新路径的电子传递的再确认；(4)厌氧消化中DIET的作用规律及其调控。通过以上研究，期待揭示厌氧消化中微生物DIET原理和作用规律，为进一步提升厌氧消化技术水平提供科学支持。

目前我国厌氧消化系统基本都按照水解酸化-产甲烷理论设计，其实质是以氢气为电子载体的种间氢扩散传递(IHT)。由于酸化菌和产甲烷菌的代谢速度不一，易出现酸性积累和氢分压上升，使产甲烷停顿，乃至厌氧失败。.本项目试图在厌氧系统下开辟一种全新的产甲烷方式：有机物通过异化铁还原菌的氧化，产生的电子通过其胞外传递至产甲烷菌，产甲烷菌接受电子还原CO2为甲烷，即直接种间电子传递(DIET)。这种产甲烷方式于2012年被美国微生物学家在两株地杆菌和甲烷菌、简单单一底物的体系下发现。但这两株纯菌在复杂底物、混菌的厌氧体系下丰度很低，无法支撑起有效的DIET。.本项目率先开展厌氧系统的DIET研究，发现在传统厌氧系统(包括微生物电化学系统)中存在不同程度的DIET方式。创新性的从以下方面构建该新型产甲烷。电子受体端：采用Fe(III)氧化物富集异化铁还原菌，为DIET提供微生物条件，地杆菌丰度提高20%，甲烷产率提高20-40%。电子连接方式：利用碳导体材料、磁铁矿、电子穿梭体等，桥接铁还原菌与甲烷菌间的电子交换，在氢分压上升导致水解酸化产甲烷受阻时，仍能维持系统正常运行。电子供体端：考虑到乙醇氧化释放热量较高，提出对有机底物进行乙醇型发酵预处理，预处理后进入甲烷段的进料中含有5%-10%乙醇，却增加甲烷产率50%-80%。另一方面，发现DIET产甲烷的胞外电子传递机制，在电势刺激下，蛋白质的电改性可有效富集具有胞外电子传递功能的微生物。在以上基础上，通过DIET与IHT的耦合，大幅改善厌氧消化效能。.本项目在新型厌氧产甲烷及胞外电子传递机制方面取得重要突破，解决了制约厌氧消化应用中的重大科学技术问题。在Nat Comm、Water Res等SCI期刊上发表论文21篇，其中第一标注19篇。受到国内外同行的高度关注和积极评价。以本项目为主要内容的成果获得两项省部级科技一等奖（均为第二完成人），获得兴辽英才科技创新领军人才(辽宁特聘教授)称号，成果应用于城市污泥厌氧甲烷化、废水厌氧处理工程中。