Water Res∣铁氧化还原循环，在厌氧消化过程中被忽视的直接电子转移作用
文献信息：
作者：Hui Xu, Mingwei Wang, Shengqiang Hei, Xiang Qi, Xiaoyuan Zhang, Peng Liang, Wanyi Fu, Bingcai Pan, Xia Huang
发表时间：21 July 2024
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122125
Water Research 影响因子：13.4
背景介绍
厌氧消化作为一种绿色低碳的废水处理技术，对实现全球碳中和目标具有重要意义。在厌氧消化过程中，种间电子传递（IET）是连接不同微生物代谢途径的关键环节，对整个系统的效率和稳定性起着决定性作用。近年来，外源性半导体铁氧化物因其独特的物理化学性质，被发现能够显著增强IET效率，但其背后复杂的促进机制尚未完全阐明。
本研究表明，α-Fe2O3、γ-Fe2O3、α-FeOOH和γ-FeOOH这四种半导体铁氧化物可显著增强甲烷生成，增强幅度分别为76.39%、72.40%、37.33%和32.64%。它们通过将主要的IET途径从经典的种间氢转移转向更强劲的直接种间电子转移（DIET）来实现。
推测它们作为电子穿梭体，潜在地替代c型细胞色素，建立与导电菌毛相关的电子传输矩阵。与传统导电Fe3O4的电子导体机制不同，半导体铁氧化物通过电容性Fe(III/II)氧化还原循环与二次矿物化相结合，内在地促进DIET。
Aminobacterium、Sedimentibacter和Methanothrix的生长得到富集，Geobacteraceae 16S核糖核酸基因拷贝数选择性地增加了2.0到4.5倍，为DIET途径建立了有利的微生物群落。相应的共生乙酸生成代谢途径（从丙酸/丁酸）和二氧化碳还原甲烷生成途径也得到促进。这些发现为铁矿物增强DIET导向途径的潜在机制提供了新的见解，并为氧化还原介导的能量收集生物废水处理提供了范例。
图文解读
图1. 不同半导体铁氧化物的形貌和电学特性表征
(a) 透射电子显微镜（TEM）图像和晶体结构。
(b) X射线衍射（XRD）图谱。
(c) 电导率。
(d) 相对于标准氢电极（NHE）的能带位置。展示了导带（ECB）和价带（EVB）以及以电子伏特为单位的带隙。在右侧，列出了几种铁氧化物和细胞色素的氧化还原偶的标准电位，相对于标准氢电极（SHE），计算在接近中性的pH值下。
图2. 添加半导体铁氧化物的SM的性能
(a) 累计甲烷产量。
(b) 通过拟合修正的Gompertz方程得到的与对照组（CK）相比的甲烷生成动力学参数。
(c) 丁酸盐浓度。
(d) 乙酸盐浓度。
(e) 在第14天的指数产甲烷阶段，COD浓度及其去除率。
(f) 脱氢酶活性、辅酶F420活性及ATP浓度。
图3. 半导体铁氧化物在SM中重定向和增强DIET途径的机制
(a) 在高H₂分压下的累计甲烷产量。
(b) 动力学产甲烷参数。
(c) 与对照组（CK）相比，细胞色素C（CytC）和菌毛蛋白浓度的相对变化。
(d) 在添加乙酰甲胺磷（AcMet）的蛋白质变性实验中的累计甲烷产量。
(e) 添加AcMet后的Rm和相对Rm（与未添加AcMet的组相比）。
(f) 厌氧污泥的循环伏安（CV）曲线。
(g) 通过EIS分析的奈奎斯特图拟合的厌氧污泥电阻（插图）。
(h) 通过线性拟合LSV曲线得到的厌氧污泥电导率（插图）。
图4. 半导体铁氧化物的Fe(III/II)氧化还原循环在促进DIET中的作用
(a) 甲烷生成过程中盐酸提取的Fe(II)浓度。
(b) 甲烷生成过程中盐酸提取的Fe(III)浓度。
(c) 添加BES后的盐酸提取Fe(II)浓度。
(d) 甲烷生成指数阶段铁氧化物的XPS Fe 2p谱。
(e) 从XPS谱解析的铁氧化物的Fe价态分布及Fe(II)增加比例。
(f) 在甲烷生成稳定阶段增强DIET后铁氧化物的XRD图谱及照片。
图5. 半导体铁氧化物调控下的微生物群落结构组成与差异
(a) 和 (b) 实验组与种之间的细菌（a）和古菌（b）群落结构的Circos图，显示了属水平的差异。
(c) 通过qPCR测定的Geobacteraceae 16S rRNA基因拷贝数。上方的气泡图代表了Geobacteraceae在科水平的相对丰度。星号表示通过单因素方差分析（one-way ANOVA）与对照组（CK）相比显著不同的估计值（*p ≤ 0.05，**p ≤ 0.01）。
(d) SEM和FISH–CLSM（红色：Geobacter，绿色：Methanothrix）成像显示的微生物空间相互作用形态。
图6
(a) 基于KEGG数据库通过PICRUSt预测的半导体铁氧化物调控下的SM代谢途径。框号代表每个功能基因的KEGG描述。蓝色（Fe₃O₄）和红色（α-Fe₂O₃）组与对照组（CK）相比，功能基因的变化分别用向上和向下箭头表示上调或下调。
(b) （半）导电铁氧化物在SM中增强DIET的机制示意图。
合成生物学相关内容讨论与合作，及文章免费投稿
欢迎联系我：shalafangjian
了解更多合成生物学内容，请关注 iSynFox 🦊: