近日，我院张景新副教授团队在环境领域权威期刊《Water Research》上发表题为“Zero-valent iron enhanced methane production of anaerobic digestion by reinforcing microbial electron bifurcation coupled with direct inter-species electron transfer” 研究论文。该文章基于改性零价铁在厌氧体系中的与微生物的相互作用关系，基于微生物微观能量利用系统揭示了零价铁在厌氧消化体系中的重要作用，最终实现有机废水/废弃物资源化回收效率的提高。

文章摘要

以前的研究表明零价铁有利于厌氧消化产甲烷过程微生物种间电子转移。然而，电子转移过程中，零价铁对厌氧微生物的微观能量策略的影响仍不确定。研究通过使用四种不同类型的零价铁，提出零价铁驱动的电子分岔（EB）耦合种间电子转移（DIET）的能量利用模式。研究发现，添加零价铁导致甲烷产量的显著增加，并且掺杂硼（B）的ZVI的效果特别显著。其潜在机制可能与与种间电子转移过程中的能量获取途径的形成有关。具体而言，B掺杂的零价铁可以增强其与细胞色素c的界面结合。将极性溶剂化能从20.473降低到1.509 kJ/mol，有利于电子转移，从而增强黄素结合Cytc的电子转移活性，进而提高了DIET过程。此外，零价铁释放的Fe²⁺增强EB酶HdrA₂B₂C₂-MvhAGD的活性，改善了EB过程，这可以与DIET结合进行电子转移和节省能量消耗。基于EB耦合DIET的代谢途径的能量分析表明，该耦合模型通过优化胞内和胞外的电子转移路径，相对于单独EB而言，理论上节省了0.25至0.5mol ATP/mol glucose。总的来说，这项研究为与电子介体相关的微生物能量策略提供了有价值的见解，电子介体可以通过优化微生物的能量利用模式，提高有机废水/废弃物中甲烷的回收效率。

图文导读

零价铁在环境领域应用范围较广。在厌氧消化资源化回收过程中，目前已经被证实可以提高有机废弃物的资源化回收效率，具体机制主要包括作为导电材料强化微生物之间的电子转移，进而强化微生物的协同作用关系，实现水解过程以及甲烷产量的提高。然而微生物在电子转移过程中，通常伴随着与周边环境进行能量交换和代谢。微生物的能量代谢决定了其自身的活性。除底物水平的磷酸化这一基本的能量代谢过程外，电子分岔是微生物在营养匮乏条件下，通过节省能量消耗，驱动热力学不利的反应，保持自身活性的一种能量机制。本研究发现，在零价铁促进的种间电子转移过程中，其可以耦合电子分岔形成一种节能的能量利用途径。在外界营养不足的条件下，投加零价铁的实验组中，微生物可以形成更多的甲烷，这有利于将来实现低有机质废水的高效处理。

图1 不同实验组的差分脉冲曲线的还原峰（a）和氧化峰（b）, RF代表核黄素

图1 显示了投加零价铁/硼掺杂零价铁对厌氧消化体系微生物电子转移活性的影响。通过差分脉冲曲线可以看出，相对于控制组，投加零价铁可以显著提高微生物的电子转移活性，且主要电子转移活性物质为细胞色素c-核黄素结合物。结果表明，与以往研究结果一致，零价铁的投加可以显著提高产乙酸细菌和产甲烷古菌之间的种间直接电子转移效率。然而，结果发现，不同的硼修饰手段对电子转移活性的影响存在差异。

图2 CytC和ZVI/B-ZVI在平衡15ns后的分子动力学模拟结果（a），主要与ZVI结合的氨基酸残基（b）与B-ZVI结合的氨基酸残基（c）

为探究硼修饰对种间直接电子转移机制的影响，进行了分子动力学拟合，分析ZVI/B-ZVI与关键电子转移蛋白Cytc的结合情况。结果表明，硼修饰后的零价铁与Cytc中的Heme电子转移核心距离更近，且与之结合的氨基酸残基被证明更容易与Cytc之间发生电子转移。因此，硼修饰零价铁确实可以提高种间直接电子电子转移效率，因此推测不同硼掺杂方式造成的不同程度电子转移活性提高可能与零价铁自身的特性相关。进一步对其物理特性研究发现，可能与不同掺杂方式释放的Fe²⁺有关。本课题组前期研究发现，Fe²⁺可以有效强化微生物的电子分岔效率。因此，对电子分岔相关酶及胞内电子转移活性进行了检测。

图3细胞内电子分岔相关的细胞内酶活性（a），本研究中提出的电子分岔电子示意图（b）（HdrA、HdrB、HdrC、MvhA、MvhG和MvhD是HdrABC MvhAGD的亚基，[4Fe-4S]是亚基之间的电子转移簇，[NiFe]是MvhA的中心）

图3表明对于α-ZVI而言，电子分岔相关酶活性明显被促进，且负责电子分岔的胞内黄素的电子转移活性明显被促进。根据酶活性的测试结果的到本研究中可能存在的电子分岔模型主要为核黄素类型电子分岔模型。其中，F₄₂₀H₂中的电子经过MvhA的催化[NiFe]中心进行氧化，电子被转移到MvhA和MvhG的[4Fe-4S]簇介导的MvhD的[4Fe_4S]簇，HdrA负责 Fd_ox接受电子，HdrC负责CoB-S-S-CoM得到电子，形成电子分岔过程。

图4 DIET耦合电子分岔模型的节能过程

根据以上数据，可以认为硼修饰零价铁可以促进DIET过程，但当采用不同修饰方法进行修饰时，导致会释放不同程度的Fe²⁺,影响电子分岔过程。电子分岔行为会影响DIET中的电子转移方式，导致DIET效率更高，微生物电子转移活性更强。该电子转移途径形成的能量利用也相对于仅存在电子分岔而言更优，因此在微生物处于不利环境中时，具有更高的活性，利用有机废水/废弃物产生甲烷。该新机制对工程应用具有实际意义。例如，通过优化微生物的微观能量策略，例如采用EB偶联DIET途径，微生物可以在某些低有机质含量下有效生长。这将大大拓宽适用于厌氧消化能量回收的底物的范围，包括一些低有机废水如农村废水等。

张鹏帅，上海交通大学中英国际低碳学院2020级博士研究生。研究方向：基于电子介体强化厌氧消化资源化回收的界面电子转移研究。

张景新，上海交通大学中英国际低碳学院副教授，博士生导师。目前主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划等。研究方向包括有机固体废弃物处理与资源化；厌氧消化废物能源化技术与能源系统；二氧化碳固定协同厌氧生物转化；碳捕集与资源化利用。

文章链接 https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121428