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》（2019年，第359卷）

論文總結(jié)

研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，深入探究了以丁酸鹽（n-butyrate）為底物的混合培養(yǎng)生物膜陽(yáng)極中氫基互養(yǎng)作用（hydrogen-based syntrophy）與生物膜電導(dǎo)率的關(guān)系，揭示了電流產(chǎn)生的限制因素和微生物群落動(dòng)態(tài)。以下是對(duì)論文的詳細(xì)總結(jié)。

摘要概括

摘要指出，丁酸鹽是外產(chǎn)電菌（exoelectrogens）最差的底物之一，但在以丁酸鹽喂養(yǎng)的生物膜陽(yáng)極中，發(fā)現(xiàn)了高電導(dǎo)率（0.67 mS/cm）和顯著的氫基互養(yǎng)作用。溶解氫（H?）濃度隨電流增加而減少，表明H?在互養(yǎng)過(guò)程中被消耗。產(chǎn)乙酸菌（acetogens）如Sphaerochaeta和Treponema是主要的H?消費(fèi)者，而Geobacter是優(yōu)勢(shì)外產(chǎn)電菌。通過(guò)2-13C穩(wěn)定同位素探測(cè)量化了產(chǎn)甲烷途徑，與微生物群落變化一致。研究證實(shí)，盡管生物膜具有高電導(dǎo)率，但細(xì)胞內(nèi)電子傳輸是電流產(chǎn)生的主要限制因素，而非細(xì)胞外電子傳輸。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問(wèn)題：

揭示以丁酸鹽為底物的生物膜陽(yáng)極中微生物互養(yǎng)相互作用（尤其是氫基互養(yǎng)）的機(jī)制和重要性。

量化生物膜的電導(dǎo)率，評(píng)估其對(duì)電流產(chǎn)生的影響，并識(shí)別電流限制步驟。

通過(guò)原位測(cè)量溶解氫濃度，驗(yàn)證H?的生產(chǎn)和消耗在互養(yǎng)過(guò)程中的作用。

分析微生物群落結(jié)構(gòu)，確定關(guān)鍵功能菌群（如外產(chǎn)電菌、產(chǎn)乙酸菌）的角色。

為優(yōu)化微生物電化學(xué)細(xì)胞（MxCs）性能提供理論依據(jù)，特別是在處理發(fā)酵性底物時(shí)。

研究思路

研究采用多裝置實(shí)驗(yàn)和多參數(shù)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)策略：

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：使用四種微生物電化學(xué)細(xì)胞（MxC-1至MxC-4）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。MxC-1用于監(jiān)測(cè)電流和揮發(fā)性脂肪酸（VFA）變化；MxC-2用于原位測(cè)量溶解氫濃度；MxC-3用于測(cè)量生物膜電導(dǎo)率；MxC-4用于測(cè)試H?作為電子供體的效果。所有MxCs在25°C下運(yùn)行，陽(yáng)極電位設(shè)定為-0.2 V vs. SHE。

參數(shù)監(jiān)測(cè)：定期測(cè)量電流密度、VFA濃度（如丁酸鹽、乙酸）、溶解氫濃度（使用丹麥Unisense微電極）、生物膜電導(dǎo)率（使用兩探針?lè)ǎ⑦M(jìn)行微生物群落分析（16S rRNA測(cè)序）。

動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析：通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算閾值H?濃度，評(píng)估丁酸鹽發(fā)酵的可行性；通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型分析電流產(chǎn)生限制步驟。

微生物分析：采集生物膜和懸浮細(xì)胞樣品，進(jìn)行DNA提取和高通量測(cè)序，解析群落結(jié)構(gòu)和功能。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：將化學(xué)參數(shù)、電化學(xué)數(shù)據(jù)和微生物數(shù)據(jù)結(jié)合，闡釋互養(yǎng)機(jī)制和電流產(chǎn)生效率。

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)、其來(lái)源（圖/表編號(hào)）及研究意義：

電流密度和VFA濃度數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 2）

數(shù)據(jù)：電流密度峰值達(dá)7.8-8.8 A/m2，丁酸鹽濃度逐漸減少，間歇性積累異丁酸鹽（i-butyrate）和乙酸（acetate）。

研究意義：表明丁酸鹽通過(guò)氧化產(chǎn)乙酸過(guò)程發(fā)酵產(chǎn)生H?和乙酸，但該過(guò)程熱力學(xué)不利，需要低H?分壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，證實(shí)了互養(yǎng)相互作用的重要性。

閾值H?濃度計(jì)算數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 3）

數(shù)據(jù)：基于熱力學(xué)方程計(jì)算，閾值H?濃度范圍為0.1-7.2 μM（對(duì)應(yīng)H?分壓10-942 Pa）。

研究意義：提供了丁酸鹽發(fā)酵所需的最大H?濃度理論值，驗(yàn)證了H?消耗的必要性，否則發(fā)酵無(wú)法進(jìn)行。

溶解氫濃度數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 5，使用丹麥Unisense微電極測(cè)量）

數(shù)據(jù)：溶解H?濃度初始達(dá)12.4 μM，隨電流增加降至3.5 μM；電流急劇增加時(shí)，H?濃度驟降。

研究意義：直接證明H?的生產(chǎn)和消耗與電流生成同步，支持氫基互養(yǎng)機(jī)制——H?由產(chǎn)酸菌產(chǎn)生，被產(chǎn)乙酸菌消耗，從而促進(jìn)外產(chǎn)電菌利用乙酸產(chǎn)電。

生物膜電導(dǎo)率數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 6）

數(shù)據(jù)：生物膜電導(dǎo)率為0.67 ± 0.14 mS/cm，基于MxC-3測(cè)量。

研究意義：表明生物膜具有高電導(dǎo)率，細(xì)胞外電子傳輸（EET）不是電流限制因素；計(jì)算顯示EET可支持高達(dá)30 A/m2的電流，但實(shí)際電流較低，提示細(xì)胞內(nèi)電子傳輸是瓶頸。

微生物群落數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 4）

數(shù)據(jù)：生物膜中Geobacter占主導(dǎo)（83.6%），同時(shí)存在Sphaerochaeta和Treponema（產(chǎn)乙酸菌）；懸浮細(xì)胞中Pseudomonas和Aeromonas豐富。

研究意義：證實(shí)微生物互養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)：Geobacter作為外產(chǎn)電菌，依賴產(chǎn)乙酸菌消耗H?以維持低H?分壓，使丁酸鹽發(fā)酵可行。群落結(jié)構(gòu)支持氫基互養(yǎng)假設(shè)。

血清瓶測(cè)試數(shù)據(jù)（來(lái)源：Table 1）

數(shù)據(jù)：無(wú)陽(yáng)極呼吸時(shí)，丁酸鹽降解緩慢，H?產(chǎn)量低（0.14 mL），且72小時(shí)后停止。

研究意義：強(qiáng)調(diào)陽(yáng)極呼吸（電流產(chǎn)生）對(duì)驅(qū)動(dòng)丁酸鹽發(fā)酵的關(guān)鍵作用；缺乏外產(chǎn)電菌時(shí)，互養(yǎng)中斷，發(fā)酵停滯。

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

丁酸鹽喂養(yǎng)的生物膜陽(yáng)極具有高電導(dǎo)率（0.67 mS/cm），但電流密度較低（<2 A/m2），表明細(xì)胞內(nèi)電子傳輸是主要限制步驟，而非細(xì)胞外電子傳輸。

氫基互養(yǎng)作用至關(guān)重要：丁酸鹽發(fā)酵產(chǎn)生H?和乙酸，產(chǎn)乙酸菌（如Sphaerochaeta和Treponema）消耗H?，維持低H?分壓，使熱力學(xué)不利的發(fā)酵得以進(jìn)行；Geobacter作為主要外產(chǎn)電菌，利用乙酸產(chǎn)電。

原位溶解氫測(cè)量證實(shí)H?的生產(chǎn)和消耗動(dòng)態(tài)與電流生成相關(guān)，支持互養(yǎng)模型。

微生物群落分析顯示互養(yǎng)伙伴的共存，但直接種間電子轉(zhuǎn)移（DIET）可能發(fā)生，但H?基互養(yǎng)在能量上更有利。

總體，研究強(qiáng)調(diào)了在發(fā)酵性底物處理中，優(yōu)化互養(yǎng)相互作用對(duì)提高M(jìn)xCs性能的重要性。

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

在本研究中，使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（H?-100微傳感器）測(cè)量溶解氫濃度數(shù)據(jù)（Fig. 5）具有關(guān)鍵作用，其研究意義主要體現(xiàn)在：

提供了原位、高分辨率的氫動(dòng)態(tài)證據(jù)：Unisense微電極能夠?qū)崟r(shí)、原位測(cè)量生物膜附近的溶解氫濃度（檢測(cè)限0.3 μM），避免了取樣擾動(dòng)。數(shù)據(jù)顯示H?濃度從12.4 μM降至3.5 μM，且與電流變化同步（電流增加時(shí)H?驟降），這直接捕獲了H?生產(chǎn)和消耗的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)，為氫基互養(yǎng)提供了最直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

驗(yàn)證了熱力學(xué)計(jì)算和互養(yǎng)機(jī)制：閾值H?濃度計(jì)算（Fig. 3）預(yù)測(cè)丁酸鹽發(fā)酵需要低H?分壓（<7.2 μM）。Unisense數(shù)據(jù)證實(shí)H?濃度始終低于閾值，且消耗迅速，表明產(chǎn)乙酸菌作為H?清除者有效維持了低H?環(huán)境，使丁酸鹽發(fā)酵在熱力學(xué)上可行。這連接了理論預(yù)測(cè)和實(shí)際生物過(guò)程，增強(qiáng)了機(jī)制的可信度。

揭示了電流產(chǎn)生與H?代謝的耦合：H?濃度變化與電流密度曲線高度相關(guān)——電流峰值對(duì)應(yīng)H?消耗峰值，表明H?消耗驅(qū)動(dòng)了乙酸生產(chǎn)，進(jìn)而促進(jìn)外產(chǎn)電菌產(chǎn)電。這證明了微生物互養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)的功能：產(chǎn)酸菌產(chǎn)生H?，產(chǎn)乙酸菌消耗H?產(chǎn)生乙酸，外產(chǎn)電菌利用乙酸產(chǎn)電。

排除了其他H?消耗途徑：通過(guò)MxC-4實(shí)驗(yàn)，H?作為直接電子供體時(shí)電流可忽略（0.03-0.24 A/m2），且無(wú)甲烷檢測(cè)，表明H?不是由產(chǎn)甲烷菌或外產(chǎn)電菌直接氧化，而是由產(chǎn)乙酸菌主導(dǎo)消耗。Unisense數(shù)據(jù)支持了這一結(jié)論，因?yàn)镠?消耗與乙酸積累同步。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)確保數(shù)據(jù)可靠性：Unisense微電極的高精度和原位測(cè)量能力避免了傳統(tǒng)方法（如氣相色譜）的延遲和采樣誤差，提供了連續(xù)、真實(shí)的H?濃度數(shù)據(jù)。這使研究者能精確量化H?通量，并關(guān)聯(lián)微生物活動(dòng)。

總之，丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)不僅是測(cè)量工具，更是揭示微生物互養(yǎng)機(jī)制的關(guān)鍵。它通過(guò)提供原位H?濃度動(dòng)態(tài)，令人信服地證明了氫基互養(yǎng)在丁酸鹽降解生物膜中的核心作用，為優(yōu)化MxCs提供了深入見(jiàn)解。如果沒(méi)有這些數(shù)據(jù)，互養(yǎng)假設(shè)將缺乏直接證據(jù)，研究結(jié)論將較弱。