錢宇磊,沙蘊(yùn)璐,陸春艷,雍曉雨,顏 素,賈紅華,周 俊

(1.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院,江蘇 南京 211800;2.南京工業(yè)大學(xué) 生物能源研究所,江蘇 南京 211800)

甲烷(CH4)的熱值高達(dá)890 kJ/mol,是廢棄碳資源高值化利用的重要產(chǎn)品之一,被譽(yù)為最有潛力的清潔燃料。從甲烷出發(fā)的生物、化工平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)H2、甲醇、乙烯等眾多高價(jià)值化學(xué)品的轉(zhuǎn)換。在我國(guó)“雙碳”政策背景下,廢棄碳資源的生物甲烷化技術(shù),可同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染物的轉(zhuǎn)化與清潔能源的量產(chǎn),兼具節(jié)能、減排和資源化利用的三重戰(zhàn)略意義。

厭氧消化技術(shù)是目前進(jìn)行廢棄物處理與能量回收的有效且可持續(xù)的主流技術(shù)之一。傳統(tǒng)厭氧消化體系存在天然的多菌群分步代謝過程,眾多水解菌、產(chǎn)酸菌對(duì)廢棄碳資源進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化,最后被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生以甲烷為主的沼氣。傳統(tǒng)厭氧消化體系多菌群、多反應(yīng)、多相的復(fù)雜條件給現(xiàn)有廢棄碳資源厭氧消化制甲烷體系的可控性與穩(wěn)定性帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。通過人工構(gòu)建互營(yíng)產(chǎn)甲烷體系,厭氧消化系統(tǒng)中發(fā)酵菌與產(chǎn)甲烷菌間獨(dú)特的電子連接方式,即,種間電子傳遞機(jī)制被逐步挖掘。近十年來(lái),科研工作者對(duì)直接種間電子傳遞(DIET)的研究顛覆了人們對(duì)產(chǎn)甲烷微生物群落功能的理解,重新設(shè)計(jì)與優(yōu)化電活性細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌的DIET途徑與通量,有望在沼氣工程厭氧消化效率的提升方面帶來(lái)新的突破。

隨著合成生物學(xué)、生物信息學(xué)、納米材料科學(xué)和光電催化等領(lǐng)域的交互研究日益深入,通過集成機(jī)械元件(高太陽(yáng)能/電能轉(zhuǎn)換效率)與生物催化(可再生性和高選擇性)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)品的高效轉(zhuǎn)換,顯著超越了自然光合作用的固碳效能。由光電催化裝置傳導(dǎo)的外源電子將作為生物電子的補(bǔ)充,極大地加速了微生物的胞外及種間電子傳遞過程,同時(shí),可再生電能/太陽(yáng)能是克服生物甲烷的八電子轉(zhuǎn)移能壘的重要能源策略。這類生物-材料雜合產(chǎn)甲烷系統(tǒng)成為生物甲烷的前沿技術(shù)之一,篩選高效能量轉(zhuǎn)化的催化材料、借助基因工程構(gòu)建特異性的電活性產(chǎn)甲烷菌株/菌群,再經(jīng)過設(shè)計(jì)組裝實(shí)現(xiàn)混合體系的高效穩(wěn)定運(yùn)行,為新型生物甲烷系統(tǒng)的放大與應(yīng)用提供有效的理論指導(dǎo)。

綜述了傳統(tǒng)厭氧消化系統(tǒng)中的常用改進(jìn)措施與潛在問題,重點(diǎn)解析了厭氧消化過程中的潛在電子轉(zhuǎn)移機(jī)制,介紹了采取合成生物學(xué)手段強(qiáng)化產(chǎn)甲烷的策略,最后提出了在光電催化材料輔助下的新型生物甲烷體系的設(shè)計(jì)與構(gòu)建策略,為高效穩(wěn)定的人工多元產(chǎn)甲烷多細(xì)胞系統(tǒng)的構(gòu)建提供理論指導(dǎo)。

1 傳統(tǒng)混菌厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)甲烷強(qiáng)化措施

厭氧消化分為水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷4個(gè)階段(圖1),由于其龐大的底物處理范圍而被廣泛推行。廢水、污泥、農(nóng)畜糞便、農(nóng)林廢棄物和餐廚垃圾等不同的厭氧消化底物的組成成分具有很大差異,為了確保不同底物中的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂類這三類主要有機(jī)成分的平衡,有效激活厭氧消化過程,常用的一種策略是多種底物進(jìn)行共消化[1]。共消化的優(yōu)勢(shì)在于通過消化過程中的協(xié)同作用調(diào)整碳/氮質(zhì)量比、pH、微量元素、毒性物質(zhì)等厭氧消化過程中的基礎(chǔ)參數(shù),從而構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定有效的有機(jī)垃圾綜合資源化處理系統(tǒng)[2]。例如,餐廚垃圾在單獨(dú)消化過程中,由于水解速度過快,會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)性有機(jī)酸的積累,與污泥或動(dòng)物糞便的共消化可有效緩解系統(tǒng)的酸抑制效應(yīng),Yin等[3]采用餐廚垃圾與污泥共消化,將原有每克揮發(fā)性固體底物的單日甲烷產(chǎn)量從(97.6±0.6) mL 提升到(121.8±0.2) mL;Chuenchart等[4]將餐廚垃圾與雞糞以7∶3的揮發(fā)性固體質(zhì)量比混合,在優(yōu)化揮發(fā)性有機(jī)酸積累量的同時(shí),甲烷產(chǎn)量相較單底物消化提高了88%。此外,利用生物添加劑(真菌、功能菌群、酶等)進(jìn)行預(yù)處理相較物理預(yù)處理方法(機(jī)械處理、熱處理、微波處理等)具有條件溫和可控、操作簡(jiǎn)便、低能耗等優(yōu)勢(shì)。一些白腐真菌(Fusarium、Pleurotus、Polyporus、Phanerochaete、Ceripoioposis、Trametes等)能夠同時(shí)降解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等難利用原料,從而提高水解這一限速步驟的速度,加速后續(xù)步驟的進(jìn)行[5]。除了真菌添加劑外,Zhong等[6]將真菌酵母(Saccharomycescerevisiae、Coccidioidesimmitis、Hansenulaanomala)、纖維素分解/半纖維素分解/木質(zhì)素分解細(xì)菌(Bacilluslicheniformis、Pseudomonassp.、B.subtilis、P.florida)和乳酸菌(Lactobacillusdeiliehii)進(jìn)行組合,添加至以秸稈為底物的厭氧消化系統(tǒng)中,其甲烷產(chǎn)量增加了25%～96.6%。由不同功能菌種組成的微生物菌群用以增強(qiáng)底物中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素降解,同時(shí)穩(wěn)定水解階段的pH等環(huán)境參數(shù),增加底物的可利用性,從而提升甲烷產(chǎn)率;此外,一些纖維素酶、半纖維素酶和脂肪酶等酶蛋白的直接施用也能在一定范圍內(nèi)提高甲烷產(chǎn)量[7]。導(dǎo)電材料作為非生物添加劑,經(jīng)常被添加在厭氧消化系統(tǒng)中,提高效率與穩(wěn)定性,碳基導(dǎo)電材料,例如,生物炭兼具吸附毒性物質(zhì)和固定微生物的作用,為細(xì)菌與古菌提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境,縮短種間距離,促進(jìn)種間電子傳遞[8]。歷經(jīng)4個(gè)階段厭氧消化底物產(chǎn)生的沼氣通常還包含CO2、H2S等雜質(zhì),需要利用沼氣工程的下游工藝專一性提高甲烷純度,即沼氣提純。該過程可以通過耦合微生物電解槽與厭氧消化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),通過引入外源H2,氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌在陰極利用陽(yáng)極電解水產(chǎn)生的質(zhì)子和外電路電子可以原位實(shí)現(xiàn)CO2到甲烷的轉(zhuǎn)化[9]。類似的生物法進(jìn)行原位沼氣提純相較變壓吸附、水洗、化學(xué)吸收等理化方法,具有環(huán)保與低成本的優(yōu)勢(shì)。由于生物的特異性催化,以CO2為主的雜質(zhì)氣體可被轉(zhuǎn)化為不同多碳化學(xué)品被循環(huán)利用。

圖1 厭氧消化甲烷生成過程示意Fig.1 Schematic diagram of methane formation in anaerobic digestion

在厭氧消化的上游階段,需要仔細(xì)評(píng)估混合多種不同底物進(jìn)行反應(yīng)的實(shí)際效果,由于底物化學(xué)成分和生物組成背景的復(fù)雜性,共消化過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)將受到顯著沖擊而改變。一些簡(jiǎn)單的外源添加劑盡管結(jié)構(gòu)組成信息較為清晰,在放大生產(chǎn)中同樣需要兼顧一系列問題,例如,生物添加劑的活性與純度、非生物材料的回收與二次污染等[10]。下游階段集中解決的問題為甲烷提純,目前引入電化學(xué)系統(tǒng)來(lái)提供氫和電子是完成沼氣提純的主要技術(shù)手段,但其裝置搭建和運(yùn)行成本等問題成為制約沼氣工程的規(guī)?；c產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)[11]。此外,作為厭氧消化過程中的核心,厭氧微生物群落在各種發(fā)酵處理?xiàng)l件下的結(jié)構(gòu)組成和功能轉(zhuǎn)變?nèi)晕幢谎芯客笍?利用元組學(xué)技術(shù)、高通量測(cè)序等手段能夠從分子層面深入挖掘其響應(yīng)機(jī)制,從而構(gòu)建更為合理的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,并反饋到實(shí)際厭氧消化過程中[12]。

2 人工互營(yíng)產(chǎn)甲烷體系中電子傳遞機(jī)制分析

為了更好地理解混菌厭氧消化體系中的菌群互作機(jī)制與共生網(wǎng)絡(luò)關(guān)系,常用的一種研究手段是從厭氧消化菌群中提煉出幾種特定功能菌種,針對(duì)性地構(gòu)建人工互營(yíng)產(chǎn)甲烷體系[13-15]。該體系中涉及的微生物主要可分為兩大類,即,胞外電活性細(xì)菌(EAB)和電營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌(electrotrophic methanogen)[16-18]。前者氧化分解低分子醇類或揮發(fā)性脂肪酸,產(chǎn)生產(chǎn)甲烷前體甲酸、乙酸、H2/CO2等,同時(shí)能直接將電子傳遞至胞外其他微生物或?qū)щ姷V物等。后者直接或間接接受來(lái)自電活性細(xì)菌的電子,通過氫營(yíng)養(yǎng)型、乙酸營(yíng)養(yǎng)型或甲基營(yíng)養(yǎng)型途徑完成產(chǎn)甲烷過程。電活性細(xì)菌氧化有機(jī)底物產(chǎn)生過量的還原力,產(chǎn)甲烷菌作為微生物電子匯(electron sink)吸收并消耗這些還原力用作自身新陳代謝,兩者間進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移的能量“交易”過程,即種間電子傳遞(IET)[14,19]。IET可區(qū)分為間接(IIET)和直接(DIET)兩種電子傳遞方式,IIET通過可擴(kuò)散化合物(H2、甲酸鹽等)或電子穿梭體(半胱氨酸、核黃素等)介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移,DIET以種間直接接觸、導(dǎo)電菌毛或細(xì)胞色素c蛋白的表達(dá)等實(shí)現(xiàn)電子傳遞,該過程在碳基導(dǎo)電材料等參與下得到強(qiáng)化(圖2)。上述互營(yíng)模式激發(fā)了菌株間的代謝生長(zhǎng),巧妙地消除了環(huán)境中分解代謝障礙與能源缺乏問題[20],例如,互營(yíng)體系中氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌利用這部分氣體用于電活性發(fā)酵細(xì)菌,產(chǎn)生大量H2從而緩解體系中的熱力學(xué)抑制現(xiàn)象[21]。

圖2 種間電子轉(zhuǎn)移方式的類型Fig.2 Schematic diagram showing different mechanisms of interspecies electron transfer

近50年來(lái),互營(yíng)產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的種間電子轉(zhuǎn)移是主要以H2為中介體的電子傳遞過程(HIT)[22-25]。電子供體菌以脂肪酸、醇和芳香化合物等作為底物,代謝產(chǎn)生H2,產(chǎn)甲烷菌通過氫化酶等吸收H2并轉(zhuǎn)移至胞內(nèi),進(jìn)而完成下游鏈?zhǔn)缴磻?yīng),該過程是厭氧土壤、污泥沉積地和人工厭氧消化池等環(huán)境中最為基礎(chǔ)的電子轉(zhuǎn)移方式[21]。H2的種間遷移符合菲克擴(kuò)散定律(Fick’s diffusion law),H2的緩慢擴(kuò)散導(dǎo)致種間電子轉(zhuǎn)移效率低下[26]。一旦H2的消耗量跟不上產(chǎn)量,例如,在糖類和氨基酸發(fā)酵過程中,過量H2導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸等中間產(chǎn)物積累,引起pH驟降和熱力學(xué)能壘障礙,使互營(yíng)體系崩潰[27-28]。在一些環(huán)境中,由于甲酸鹽的擴(kuò)散系數(shù)是H2的3倍,由甲酸鹽介導(dǎo)的間接電子傳遞成為主要形式[29-30]。盡管基于HIT的微生物生理生化過程的研究已大量開展[20,31],目前還鮮有工程策略能夠精準(zhǔn)強(qiáng)化種間H2/甲酸鹽電子轉(zhuǎn)移過程。

為此,研究人員致力于挖掘IIET以外的種間電子傳遞方式。2010年,Summers等[32]通過人工構(gòu)建Geobactermetallireducens(Gm)-Geobactersulfurreducens(Gs)兩種電活性細(xì)菌的共培體系,首次證明了直接種間電子傳遞(DIET)的存在,Gm-Gs共生體偶聯(lián)了單菌所無(wú)法完成的乙醇氧化和富馬酸還原的電子轉(zhuǎn)移過程。這類電子傳遞方式不需要H2和甲酸鹽作為中介體,也不依賴腐殖酸、核黃素等氧化還原電子穿梭體,是一種新型的自由且高效的電子傳遞方式,此后大量關(guān)于DIET的研究集中于Geobacter的互營(yíng)體系,并逐步擴(kuò)展到甲烷古菌的共培養(yǎng)體系中(表1)。

表1 人工互營(yíng)體系中直接種間電子傳遞研究進(jìn)展Table 1 Recent studies on direct interspecies electron transfer in artificial syntrophic consortia

互營(yíng)體系的DIET依靠特殊的電活性膜蛋白結(jié)構(gòu)完成細(xì)胞-細(xì)胞的偶聯(lián)。納米導(dǎo)線(nanowire)是電活性細(xì)菌編碼并組裝的具有導(dǎo)電性的胞外納米絲狀蛋白,能夠向外源電子受體(三價(jià)鐵氧化物或產(chǎn)甲烷菌等)以微米級(jí)尺度長(zhǎng)程傳遞電子,通過形成導(dǎo)電性生物膜促進(jìn)電極-細(xì)胞間的電荷傳輸[44-46](圖3)。以典型的Gs菌為例,其納米導(dǎo)線結(jié)構(gòu)分為導(dǎo)電菌毛和OmcS細(xì)絲兩種。導(dǎo)電菌毛(e-pili)是由61個(gè)氨基酸的單體蛋白PilA組裝而成的四型菌毛蛋白,其直徑約為3 nm,單個(gè)菌毛的導(dǎo)電性可達(dá)51 S/cm(pH=7.0),導(dǎo)電性的產(chǎn)生可能源于芳香族氨基酸π-π軌道的堆積重疊[47-48]。在對(duì)e-pili 的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的過程中,利用冷凍電鏡意外地發(fā)現(xiàn)了OmcS細(xì)絲,這種包含6個(gè)血紅素的細(xì)胞色素蛋白構(gòu)成的納米導(dǎo)線并非典型的菌毛結(jié)構(gòu)[49],對(duì)其進(jìn)行敲除實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)細(xì)菌仍可依靠e-pili實(shí)現(xiàn)三價(jià)鐵的還原,證明這類導(dǎo)電細(xì)絲與e-pili功能上的差異性[46]。與Gs菌的導(dǎo)電菌毛的同源基因可以延伸至Betaproteobacteria、Deferribacteres等種屬[50],由此可見,納米導(dǎo)線在厭氧環(huán)境中的廣泛存在,但對(duì)其電子傳遞機(jī)制的推論(類金屬導(dǎo)電性假說[51]、電子躍遷假說[52]等)眾多,有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

細(xì)胞色素是與細(xì)胞膜結(jié)合的一類金屬蛋白,通過改變自身的氧化還原狀態(tài)參與到胞外電子傳遞(EET)過程中[18]。Geobacter中存在多種細(xì)胞色素c蛋白,除前文中提及的OmcS外,常見的細(xì)胞色素蛋白包括OmcB、OmcZ、PpcA、PccH等,能夠完成電極表面的電子交互過程和實(shí)現(xiàn)三價(jià)鐵還原,在共培體系中體現(xiàn)表達(dá)差異[53]。電活性細(xì)菌ShewanellaoneidensisMR-1的EET過程主要依賴金屬還原途徑(Mtr pathway),其主要蛋白成分為CymA、MtrA、MtrB、MtrC和OmcA,除MtrB作為聯(lián)通MtrA和MtrC的孔蛋白外,其余均為細(xì)胞色素蛋白,可通過其多個(gè)血紅素輔基中Fe2+/Fe3+的氧化還原價(jià)態(tài)變換快速介導(dǎo)電子傳遞。主干部分為mtrCAB基因編碼的3個(gè)蛋白形成孔蛋白-細(xì)胞色素c復(fù)合物MtrCAB,胞內(nèi)電子由內(nèi)膜的CymA傳遞至周質(zhì)蛋白MtrA,經(jīng)由MtrC傳遞至胞外OmcA或外部電子受體[54]。另外,不同于上述情況,自養(yǎng)光合細(xì)菌沼澤紅假單胞菌利用位于細(xì)胞膜的細(xì)胞色素Pio蛋白復(fù)合體進(jìn)行胞外電子的單向獲取，并將電子傳遞至光合反應(yīng)系統(tǒng)，進(jìn)行ATP能量合成[55-56]。部分細(xì)胞色素可以單獨(dú)作為基體構(gòu)成納米導(dǎo)線參與DIET,如,ShewanellaoneidensisMR-1的“納米導(dǎo)線”實(shí)際是長(zhǎng)鏈囊泡-連續(xù)細(xì)絲的外膜和周質(zhì)的延伸過程演化而來(lái),其導(dǎo)電性源于納米導(dǎo)電線外圍的多血紅素細(xì)胞色素復(fù)合結(jié)構(gòu)[57]。在最新的研究中,通過原子力顯微鏡直接觀測(cè)到了上述野生型Gs菌中細(xì)胞色素OmcS構(gòu)成的納米導(dǎo)線,其長(zhǎng)度為4 nm,占比約為e-pili的十分之一,具有與e-pili相似的導(dǎo)電能力[58]。通過多個(gè)細(xì)胞色素蛋白直接接觸形成的電子傳遞發(fā)生在甲烷氧化菌ANME-2和硫還原菌(SRB)的互營(yíng)體系中,細(xì)胞色素c不僅附著于兩菌的細(xì)胞膜上,在胞外細(xì)胞空間也大量分布構(gòu)成了緊密連接的生物導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),盡管通過血紅素染色實(shí)驗(yàn)證實(shí)了細(xì)胞色素c的存在,通過這種方式實(shí)現(xiàn)的長(zhǎng)程電子傳遞仍缺乏直接證據(jù)[37],此外,在Geobacter的共培實(shí)驗(yàn)中單一表達(dá)細(xì)胞色素并不能完全支持DIET的進(jìn)行[59],細(xì)胞色素的潛在電子傳遞能力和其與納米導(dǎo)線間的功能交叉將是今后DIET研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。

圖3 納米導(dǎo)線的功能與結(jié)構(gòu)觀測(cè)Fig.3 Functional and morphological characterization of nanowire

甲烷古菌胞外電子傳遞的方式呈現(xiàn)多樣性。與電活性細(xì)菌Geobacter和Shewanella類似,Methanosarcinales存在膜結(jié)合的細(xì)胞色素蛋白介導(dǎo)胞外電子轉(zhuǎn)移。Methanosarcinabarkeri細(xì)胞膜上存在能量轉(zhuǎn)換氫酶(Ech)、F420還原氫酶(Frh)和甲基苯丙嗪依賴性氫化酶(Vht)具備顯著的電子傳遞能力,與作為電子載體的輔酶(Fd、F420、MP、CoB)共同作用形成跨膜質(zhì)子梯度,進(jìn)行ATP能量合成驅(qū)動(dòng)產(chǎn)甲烷過程。對(duì)上述氫酶進(jìn)行基因敲除,古菌在陰極負(fù)載仍具有電催化產(chǎn)甲烷活性,表明有獨(dú)立于氫酶的電子傳遞機(jī)制存在[60]。在轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析HIET和DIET的差異實(shí)驗(yàn)中,F420脫氫酶(Fpo)和CoB-S-S-CoM還原酶(HdrABC)被上調(diào)表達(dá),Fpo將還原型MP氧化并傳遞電子給輔酶F420,在胞內(nèi)HdrABC的作用下,還原型F420的電子被分叉轉(zhuǎn)移至Fd和CoB的還原,從而激活產(chǎn)甲烷通路[61-62]。特別地,專性氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanospirillumhungatei合成一種被稱為古菌菌毛(archaella)胞外細(xì)絲[63],其結(jié)構(gòu)和起源類似于Geobacter中的四型菌毛,其導(dǎo)電性通過原子力顯微鏡測(cè)定,其中一個(gè)緊密堆積的苯丙氨酸核心結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是導(dǎo)電性的關(guān)鍵[64],這暗示在古菌體系中可能存在e-pili。大多數(shù)甲烷古菌(Methanococcales、Methanobacteriales、Methanomicrobiales和Methanopyrales等)并未存在與細(xì)胞膜結(jié)合的細(xì)胞色素蛋白,僅通過H2/甲酸鹽作為電子中介體，還原CO2產(chǎn)甲烷,以Methanococcusmaripaludis為例,其分泌氫化酶和甲酸脫氫酶等與陰極表面接觸催化H2和甲酸鹽的形成,被快速利用產(chǎn)生甲烷[65-66]。

導(dǎo)電礦物(例如，磁鐵礦、黃鐵礦等)在自然界中廣泛存在,被推斷在某些環(huán)境中(深海沉積地等)促進(jìn)微生物的遠(yuǎn)距離電子轉(zhuǎn)移[67]。這類金屬礦物的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)超生物結(jié)構(gòu)且省去了生物表達(dá)電活性蛋白所需的能量需求。導(dǎo)電材料(例如,活性炭、生物炭、高分子導(dǎo)電聚合物和其他碳基納米材料等)投加到純培養(yǎng)互營(yíng)體系或是厭氧混菌發(fā)酵反應(yīng)器中，可以顯著促進(jìn)直接種間電子傳遞(DIET)過程,這類細(xì)胞-導(dǎo)電材料-細(xì)胞的接觸模式被劃歸為種間電子傳遞的一種新模式細(xì)胞-導(dǎo)電材料-細(xì)胞的接觸模式(CIET),文獻(xiàn)[14,68-71]已對(duì)CIET的機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的綜述。導(dǎo)電材料的添加可以弱化或替代共培體系中電活性蛋白的表達(dá),例如，無(wú)法表達(dá)菌毛的Gs-Methanosarcinabarkeri(Mb)雙菌在顆?；钚蕴?GAC)的介導(dǎo)下完成互營(yíng)[36]。部分導(dǎo)電材料(GAC、生物炭)本身由于特殊的多孔結(jié)構(gòu)與表面官能團(tuán),而具有催化與吸附性能,能夠?qū)w系中潛在的難降解有毒化學(xué)物質(zhì)(揮發(fā)性有機(jī)酸、偶氮染料等)進(jìn)行捕獲或分解,從而提升產(chǎn)甲烷生物活性[70,72]。不同導(dǎo)電材料的尺寸和比表面積差異很大,其促進(jìn)DIET的機(jī)制也大不相同。碳基材料具有較大的比表面積,為微生物提供生物膜黏附位點(diǎn),有利于菌群團(tuán)聚和直接接觸,從而加速代謝信息交換[73]。納米尺寸的小型導(dǎo)電材料可以穿透微生物細(xì)胞膜，并在種間形成電子導(dǎo)管，促進(jìn)電子傳遞,甚至可以取代部分膜結(jié)合導(dǎo)電蛋白發(fā)揮作用[74]?；I(yíng)體系中的DIET效能可以直接通過導(dǎo)電率(electrical conductivity)來(lái)反映[69],導(dǎo)電材料可通過改變菌群結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整體系的導(dǎo)電率。早期實(shí)驗(yàn)證明導(dǎo)電材料可顯著富集Geobacter,該菌通過表達(dá)pili結(jié)構(gòu)在材料表面交聯(lián)成具有高導(dǎo)電性的生物膜,同時(shí)使菌群中的電子轉(zhuǎn)移方式更傾向于DIET[75-76]。然而大多數(shù)情況下Geobacter的種群占比很小，甚至不存在,不能排除富集其他功能菌對(duì)DIET的潛在促進(jìn)作用。值得一提的是，某些導(dǎo)電材料的添加直接提升了產(chǎn)甲烷菌的活性,例如,不同濃度的碳納米管(CNT)對(duì)4種產(chǎn)甲烷菌的代謝產(chǎn)氣均有促進(jìn),這是導(dǎo)電材料獨(dú)立于DIET以外影響甲烷產(chǎn)率的又一大因素[77]。導(dǎo)電材料的化學(xué)性質(zhì)(導(dǎo)電性、氧化還原電位)及物理性質(zhì)(尺寸、比表面積、粗糙度等)區(qū)別較大,其對(duì)DIET的貢獻(xiàn)也不可一概而論,后續(xù)的CIET研究將集中于總結(jié)出不同性質(zhì)的材料與電子傳遞和產(chǎn)甲烷活性間的規(guī)律。

隨著越來(lái)越多的微生物被證實(shí)具有胞外電子傳遞活性,涉及種間電子傳遞的互營(yíng)體系已不局限在Geobacter與產(chǎn)甲烷菌種之間。例如,Ha等[40]報(bào)道了光自養(yǎng)綠色硫細(xì)菌Prosthecochlorisaestaurii(Pa)和Geobactersulfurreducens之間存在的厭氧光互營(yíng)DIET機(jī)制,Gs菌通過氧化乙酸向Pa菌傳遞電子,使后者完成固碳和生物質(zhì)積累。上述互營(yíng)體系的DIET依賴于細(xì)胞-細(xì)胞的直接接觸和膜結(jié)合細(xì)胞色素的表達(dá)。近來(lái),Liu等[78]研究的兩種特殊DIET互營(yíng)體系都聚焦在光合細(xì)菌Rhodopseudomonaspalustris(Rp)上,這類微生物具備多樣的營(yíng)養(yǎng)利用途徑,且被證實(shí)能夠向電極傳遞電子。在與Gm菌進(jìn)行共培的實(shí)驗(yàn)中,Gm菌氧化乙酸作為電子供體伙伴向Rp菌直接傳遞電子,使其完成CO2的固定,Rp菌基于卡爾文循環(huán)的固碳作用通常在厭氧光自養(yǎng)狀態(tài)下完成,在化能自養(yǎng)條件下,生長(zhǎng)又需要O2參與,而Gm-Rp形成的涉及DIET的厭氧黑暗固碳模式在該研究中被首次揭露。另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)[43]將Rp與Methanosarcinabarkeri進(jìn)行共培,Rp菌捕獲光能進(jìn)行代謝,直接向Mb提供產(chǎn)甲烷所需的電子,被視作天然的全細(xì)胞生物光敏劑,為構(gòu)建人工光能-甲烷生物轉(zhuǎn)化體系提供了全新的視角。

3 產(chǎn)甲烷底盤微生物的篩選與設(shè)計(jì)

圖4為生物甲烷產(chǎn)生的主要途徑[79-80,98]。傳統(tǒng)的甲烷古菌,大部分均能以氫營(yíng)養(yǎng)途徑依靠Wolfe循環(huán)完成CO2—CH4的七步八電子還原反應(yīng)[79];而乙酸型產(chǎn)甲烷菌(例如Methanosaeta)需要互營(yíng)細(xì)菌經(jīng)過Wood-Ljungdahl反應(yīng)產(chǎn)生產(chǎn)乙酸再被自身代謝利用,少數(shù)產(chǎn)甲烷古菌(Methanosarcinacea、Methanomassiliicoccus和Methanosphaera)也可以依靠甲基營(yíng)養(yǎng)型途徑產(chǎn)甲烷[80]。不同產(chǎn)甲烷途徑中均涉及多種輔酶的氧化還原再生,一類是電子載體(鐵氧還蛋白Fd、F420、甲烷吩嗪MP等),另一類作為碳載體(甲烷呋喃MF、四氫甲烷蝶呤H4MPT、四氫八疊甲烷蝶呤H4SPT、輔酶M、CoM等)。輔酶的再生依靠能量傳遞蛋白(如EchA-F、VhoACG-HdrDE、MvhADG-HdrABC、Frh等),其多數(shù)分布于膜結(jié)合區(qū)域,具有胞外電子傳遞能力[62]。特別地,甲基輔酶M還原酶Mcr催化CH3-S-CoM還原產(chǎn)生甲烷,作為產(chǎn)甲烷的最后一步在任一營(yíng)養(yǎng)途徑中均存在,編碼Mcr的其中一個(gè)基因(mcrA)被廣泛用于產(chǎn)甲烷古菌的存在與活性鑒定[81]。為適應(yīng)不同環(huán)境下的底物濃度變化,編碼或不編碼細(xì)胞色素蛋白的甲烷古菌利用不同的轉(zhuǎn)錄激活/抑制因子來(lái)調(diào)節(jié)產(chǎn)甲烷過程[82],然而任何一步的終止或抑制均導(dǎo)致產(chǎn)甲烷過程的中斷,且體系的嚴(yán)格厭氧要求和古菌復(fù)雜的基因背景為傳統(tǒng)產(chǎn)甲烷途徑的分子生物學(xué)改造帶來(lái)困難。

圖4 生物甲烷產(chǎn)生途徑Fig.4 Biomethane metabolic pathways

盡管越來(lái)越多的甲烷古菌基因組和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序已逐步完成,對(duì)甲烷古菌的遺傳特性的認(rèn)知逐步深入,而應(yīng)用于古菌的基因改造工程研究仍處于起步階段[83-84]。以生物甲烷的高效產(chǎn)生為目的,需要擴(kuò)大功能菌的底物利用范圍和胞外電子/還原力轉(zhuǎn)移通量,典型的工作如,在Methanosarcinaacetivorans中異源表達(dá)來(lái)自Pseudomonasveronii的酯酶，使其能夠利用乙酸甲酯或丙酸丙酯等代謝產(chǎn)甲烷[85]。鑒于甲烷菌的復(fù)雜遺傳背景和人工互營(yíng)體系的優(yōu)勢(shì),合成生物學(xué)改造的方向可以轉(zhuǎn)向與甲烷菌互營(yíng)的電子供體菌上。以電活性模式菌S.oneidensisMR-1為例,引入葡萄糖、木糖、甘油等代謝途徑，拓寬了原本以乳酸等有機(jī)酸為主的底物限制,更適應(yīng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的發(fā)酵要求[86-87]。另外,優(yōu)化電子傳遞過程中的功能蛋白表達(dá)量與組成(例如，過表達(dá)內(nèi)膜導(dǎo)電蛋白CymA[88]、血紅素合成基因cctA替換電子爭(zhēng)奪蛋白基因[89]等)、強(qiáng)化電子載體的合成(異源表達(dá)核黃素合成基因簇ribADEHC[90]等)、生物膜電活性改造(生物膜致密程度[91]、親疏水性[92]等)這些策略能夠顯著改善細(xì)菌-電極的電流功率密度,加強(qiáng)向互營(yíng)菌的胞外電子傳輸能力,進(jìn)而提升互營(yíng)體系中的種間電子傳遞性能。篩選高效的基因工程電活性細(xì)菌，充當(dāng)產(chǎn)甲烷菌的“供能伙伴”,進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)人工互營(yíng)反應(yīng)體系是簡(jiǎn)化傳統(tǒng)生物甲烷生產(chǎn)工藝的重要策略之一。

另一項(xiàng)策略是從甲烷代謝的源頭出發(fā),尋找新型一步式還原酶“兼容”Wolfe循環(huán)中多步反應(yīng)中的功能酶。固氮酶廣泛存在于光合細(xì)菌體內(nèi),其起源可追溯到32億年前,遠(yuǎn)早于有氧光合作用的產(chǎn)生。固氮酶的基本功能是將N2還原為氨,即完成氮固定過程,該多電子還原過程與CO2—CH4的八電子轉(zhuǎn)移高度相似[93]。V型固氮酶已被證實(shí)具有顯著的CO還原性,能夠偶聯(lián)多個(gè)CO分子產(chǎn)生短鏈烷烯烴如,甲烷、乙烯、乙烷和丙烯等[94]。Fe型固氮酶在不同的固氮細(xì)菌中具有天然的CO2甲烷化功能,能夠支持與甲烷氧化菌的互營(yíng)，從而通過碳循環(huán)影響微生物群落的相互作用[95]。在更普遍的條件下,光合細(xì)菌通過表達(dá)MoFe型固氮酶維持自養(yǎng)條件生長(zhǎng),對(duì)Azotobactervinelandii中的MoFe固氮酶α鏈進(jìn)行雙位點(diǎn)突變(V70AH195Q)的突變體，能夠在優(yōu)化條件下催化20 min，每nmol蛋白獲得21 nmol的甲烷產(chǎn)量,此外該CO2還原過程與乙烯乙炔等其他底物偶聯(lián),可以形成丙烯等高價(jià)值化合物[96]。通過精準(zhǔn)的基因調(diào)控，使固氮酶突變體進(jìn)行高效的甲烷轉(zhuǎn)化在全細(xì)胞體系中得以實(shí)現(xiàn),Fixen等[97]通過在RhodopseudomonaspalustrisCGA009中引入自殺性質(zhì)粒，獲得穩(wěn)定的重組MoFe固氮酶的基因表型,首次完成了全細(xì)胞一步式光催化CO2到CH4轉(zhuǎn)化。后續(xù)的工作中,Ma等[98]對(duì)同源的RhodopseudomonaspalustrisCGMCC 1.2180進(jìn)行固氮酶雙位點(diǎn)突變改造,經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化后，每毫克細(xì)菌總蛋白的甲烷產(chǎn)率高達(dá)每小時(shí)14.58 μmol,超越了所有已知的光合細(xì)菌(photosynthetic bacterium,PSB)的甲烷產(chǎn)率。依靠蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)、金屬輔因子組裝和非天然氨基酸替代等先進(jìn)的分子生物學(xué)手段對(duì)上述固氮酶系進(jìn)行高水平表達(dá)和高轉(zhuǎn)化率修飾,篩選天然宿主或設(shè)計(jì)合理的模式生物宿主,能夠巧妙地替代傳統(tǒng)古菌產(chǎn)甲烷功能,成為未來(lái)新型產(chǎn)甲烷生物催化劑的方向。基于基因序列的相似性,某些類似固氮酶的還原酶與硫代謝與轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān),存在一種全新的蛋氨酸生物合成途徑,催化C—S鍵的斷裂同時(shí)伴隨著厭氧乙烯和甲烷的生成,這類還原酶功能的解析區(qū)別于傳統(tǒng)的古菌產(chǎn)甲烷途徑,拓寬了構(gòu)建生物甲烷酶催化體系的潛在模板[99]。

4 光電催化多元產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的構(gòu)建

微生物電化學(xué)系統(tǒng)(圖5)是近年來(lái)興起的用于從廢棄有機(jī)物中回收能源與營(yíng)養(yǎng)源的新型體系,CO2和廢棄有機(jī)物的電化學(xué)轉(zhuǎn)化整合了可再生能源開發(fā)、溫室氣體減排和資源利用的優(yōu)勢(shì)[100-101]。生物電催化產(chǎn)甲烷的概念在2009年被提出,這種CO2還原體系被稱為生物電催化能量-氣體轉(zhuǎn)化(BEP2G)[102]。在雙室電池中,在適當(dāng)?shù)碾妷汗?yīng)條件下,陽(yáng)極發(fā)生電解水反應(yīng)，產(chǎn)生質(zhì)子和氧,陰極上負(fù)載有產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行CO2還原產(chǎn)甲烷,從而將電能以甲烷的形式轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的電化學(xué)系統(tǒng)是研究生物電子傳遞機(jī)制的良好表征載體。一些甲烷古菌與電活性細(xì)菌類似,能夠直接從碳/石墨電極上攝取電子產(chǎn)甲烷。Mayer等[103]研究了不同純培養(yǎng)的甲烷菌在電化學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷情況,實(shí)驗(yàn)證明5種產(chǎn)甲烷菌在陰極上均能存活并產(chǎn)生甲烷,且電子交換方式傾向于DIET。作為電化學(xué)裝置的基本參數(shù)之一,施加電壓的高低將影響產(chǎn)甲烷菌的電子傳遞方式,Bai等[104]研究M.barkeri在-0.35 V至-1.2 V陰極電壓下的甲烷產(chǎn)量和電子傳遞變化,隨著電位降低,甲烷菌的電子攝取方式由直接電子轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接電子轉(zhuǎn)移,歸因于電極上細(xì)胞附著的減少和電子載體H2產(chǎn)量的提升。除甲烷外,在生物電催化能量-氣體轉(zhuǎn)換裝置(BEP2G)中通過調(diào)整電催化參數(shù)可實(shí)現(xiàn)不同甲烷/H2體積比的天然氣生產(chǎn)[102]。近十年時(shí)間中,將厭氧消化與微生物電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行耦合形成的混合體系(BEAD)的實(shí)際應(yīng)用潛力被充分挖掘[105-108]。將電化學(xué)裝置(MEC)與厭氧消化體系進(jìn)行原位結(jié)合,在陽(yáng)極區(qū)域進(jìn)行有機(jī)底物的混菌分解,釋放電子、質(zhì)子與CO2。由于陰極區(qū)域H2的產(chǎn)生,氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌(Methanobacterium、Methanocorpusculum、Methanoculleus等)被顯著富集,由于這類古菌對(duì)低溫和高氨條件的高耐受性,且生長(zhǎng)速率相對(duì)較快,能夠強(qiáng)化整個(gè)厭氧發(fā)酵體系的甲烷回收[107-108]。因此與傳統(tǒng)厭氧消化體系相比,BEAD的顯著優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)對(duì)厭氧消化中高有機(jī)負(fù)載率、底物性質(zhì)突變引起的揮發(fā)性有機(jī)酸和pH沖擊等不利情況,維持厭氧消化系統(tǒng)的長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行[105]。

圖5 甲烷的生物電催化合成系統(tǒng)Fig.5 Methane-producing bioelectrochemical system

人工光合作用以模擬自然光合作用為基礎(chǔ),將具有高效光能捕獲能力的半導(dǎo)體與高催化選擇性地生物細(xì)胞/酶相結(jié)合,完成太陽(yáng)能-高價(jià)值化學(xué)品的轉(zhuǎn)換[109]。人工光合作用的目的之一是進(jìn)行長(zhǎng)效穩(wěn)定的碳固定與轉(zhuǎn)化,如,將CO2還原為乙酸、甲酸、聚羥基丁酸酯(PHB)和甲烷等。Ye等[110]在甲烷八疊球菌M.barkeri的培養(yǎng)體系中添加重金屬Cr離子，成功誘導(dǎo)該菌在細(xì)胞膜表面自組裝合成納米半導(dǎo)體CdS,將半導(dǎo)體光激發(fā)電子經(jīng)由膜結(jié)合的能量傳遞相關(guān)氫化酶(Ech、Vht等)和細(xì)胞色素(Hdr等)的胞外電子攝取途徑,成功導(dǎo)入產(chǎn)甲烷古菌細(xì)胞內(nèi)促進(jìn)CO2的甲烷化,如圖6(a)所示。在進(jìn)一步的研究中,Ni摻雜劑作為有效電子阱,進(jìn)一步加速M(fèi).barkeri-CdS雜合體系的光電子轉(zhuǎn)移過程,通過高表達(dá)電子轉(zhuǎn)移、能量代謝、CO2固定等蛋白改變細(xì)胞代謝狀態(tài),使甲烷產(chǎn)率對(duì)比先前提升約250%[111]。另外,半導(dǎo)體也可與酶進(jìn)行組合,CdS納米棒可以取代MoFe固氮酶中的Fe蛋白,向MoFe蛋白提供電子，實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)體外固氮(N2→NH3)[112],對(duì)于固氮酶的改造已實(shí)現(xiàn)一步式產(chǎn)甲烷目標(biāo),有望通過與光催化半導(dǎo)體的結(jié)合構(gòu)建新型的光驅(qū)動(dòng)全細(xì)胞/酶雜合生物甲烷轉(zhuǎn)化體系。與納米半導(dǎo)體向全細(xì)胞提供光激發(fā)電子不同,人工光合作用的另一種模式是將來(lái)源于光合生物的光系統(tǒng)(PSⅠ或PSⅡ)作為光吸收劑,構(gòu)建Z-型方式與半導(dǎo)體材料偶聯(lián),這類生物光敏劑導(dǎo)帶上的電子被轉(zhuǎn)移到非生物催化劑中,完成光驅(qū)動(dòng)分解水產(chǎn)氫等原位催化反應(yīng)。Chen等[113]將光養(yǎng)古菌Halobacteriumsalinarum紫色膜衍生囊泡包裹在多孔Pd-TiO2納米光催化劑表面,膜蛋白作為光敏劑，向TiO2導(dǎo)帶注入電子,同時(shí)充當(dāng)質(zhì)子，泵外排質(zhì)子,通過電子和質(zhì)子的協(xié)同作用，高效還原CO2為甲烷。類似上述研究中，將具有量子限制效應(yīng)的低尺寸納米半導(dǎo)體引入細(xì)胞中,可實(shí)現(xiàn)生物催化的“自光敏化”過程,從可再生能源轉(zhuǎn)化的角度，為生物化學(xué)催化提供了全新的思路。

圖6 兩種不同類型的甲烷光電生物催化合成系統(tǒng)Fig.6 Two types of methane-producing biophotoelectrochemistry

上述將納米半導(dǎo)體直接與微生物結(jié)合的雜合體系在均相培養(yǎng)環(huán)境中，以細(xì)胞游離的形式，實(shí)現(xiàn)光催化固碳過程。此外,將微生物固定于電極表面，同時(shí)引入光能的生物光電催化體系，也是目前研究的熱點(diǎn)。通過連接光伏設(shè)備和電極表面負(fù)載光催化材料(制備光電極)兩種途徑實(shí)現(xiàn)光能的引入,從而完成太陽(yáng)光-電能/化學(xué)燃料的轉(zhuǎn)換(圖6(b))[114]。在這類生物光電催化系統(tǒng)中,有效的催化區(qū)域發(fā)生在微生物-電極耦合的界面中,固定化的微生物與電極間的電子交換能力直接決定了CO2轉(zhuǎn)換等氧化還原反應(yīng)的效能[115]。除了電子的直接傳遞外,以H2為電子載體介導(dǎo)最為常見。Nichols等[116]將M.barkei整合到了以TiO2作為光陽(yáng)極、p-InP-Pt作為光陰極的光電催化體系中。通過陽(yáng)極光解水反應(yīng)產(chǎn)生H2,傳遞至陰極區(qū)域被產(chǎn)甲烷菌利用驅(qū)動(dòng)CO2還原為甲烷,該系統(tǒng)的法拉第電磁效率(FE)高達(dá)74%。H2的低溶解度和高生產(chǎn)電位使其成為光電催化系統(tǒng)中的一個(gè)劣勢(shì),通過連接具有紫外到近紅外吸收的寬光譜利用范圍的光伏設(shè)備,將光能傳輸進(jìn)行“外包”,可以高效驅(qū)動(dòng)水分解產(chǎn)氫,同時(shí)使用全氟碳納米乳液可以有效加速H2傳遞以被細(xì)胞高效吸收。Fu等[117]采用TiO2納米線陣列作為光陽(yáng)極,在光照下產(chǎn)生光電子,通過外部電路到達(dá)負(fù)載有產(chǎn)甲烷菌群的生物陰極,被直接利用完成CO2向CH4轉(zhuǎn)化,這種無(wú)需H2參與,進(jìn)行直接電子傳遞的新生物光電催化體系的FE突破至96%。

5 結(jié)論與展望

傳統(tǒng)厭氧消化系統(tǒng)是一個(gè)多菌群、多反應(yīng)、多相的復(fù)雜系統(tǒng),存在產(chǎn)氣效率低、甲烷濃度低、過程能耗高等技術(shù)瓶頸問題,難以構(gòu)建有效的調(diào)控策略,導(dǎo)致現(xiàn)有沼氣工程依靠“政府輸血”來(lái)維持運(yùn)行。當(dāng)前,科研人員一方面通過優(yōu)化沼氣工程的工藝參數(shù)來(lái)提升產(chǎn)甲烷效率,另一方面嘗試對(duì)微生物互營(yíng)代謝機(jī)制的解析來(lái)構(gòu)建更為高效的多細(xì)胞產(chǎn)甲烷系統(tǒng)。甲烷產(chǎn)量的提高可以歸因于互營(yíng)菌與甲烷古菌間種間電子傳遞的改善。越來(lái)越多的功能菌屬被證實(shí)參與到厭氧消化的種間電子傳遞過程中,利用合成生物學(xué)手段能夠更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)DIET過程的人工干預(yù),如,將多樣的固碳途徑引入互營(yíng)菌中,優(yōu)化互營(yíng)菌的胞外電子輸出途徑,為甲烷古菌提供充足的產(chǎn)甲烷前體和能量;另一方面,對(duì)甲烷古菌中的傳統(tǒng)甲烷代謝過程進(jìn)行從頭設(shè)計(jì),在模式微生物中表達(dá)具有產(chǎn)甲烷活性的新型還原酶,拓展產(chǎn)甲烷途徑及微生物種類。半人工光合作用證實(shí)光生電子能夠作為生物電子的補(bǔ)充，有效強(qiáng)化CO2甲烷化過程,催生了更為多元化的產(chǎn)甲烷系統(tǒng)。通過引入半導(dǎo)體材料與電極裝置對(duì)微生物全細(xì)胞進(jìn)行半機(jī)械化改造,能夠利用可再生清潔能源高效特異性地驅(qū)動(dòng)生物氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行,但同時(shí)也顯著改變了微生物的代謝狀態(tài),關(guān)鍵問題在于進(jìn)一步改善催化材料的生物相容性，進(jìn)一步解析材料-微生物交互界面的電子傳導(dǎo)機(jī)制,亟待更為先進(jìn)的分析手段來(lái)數(shù)據(jù)化與可視化監(jiān)測(cè)產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中的電子交換,推動(dòng)細(xì)胞-細(xì)胞、細(xì)胞-半導(dǎo)體/電極之間信號(hào)響應(yīng)機(jī)制的研究進(jìn)程。最后,通過 1)解析種間電子傳遞機(jī)制,理解菌群間電子轉(zhuǎn)移背后的信息和能量交換;2)改造已知產(chǎn)甲烷途徑,挖掘新型產(chǎn)甲烷底盤微生物;3)合理組合高效產(chǎn)甲烷基因工程菌株和先進(jìn)的光電催化材料，指導(dǎo)沼氣工程的升級(jí)改造。在可預(yù)見的未來(lái),通過對(duì)多元生物產(chǎn)甲烷體系的構(gòu)建、調(diào)控、重構(gòu)和強(qiáng)化,將推動(dòng)廢棄碳資源的利用及生物甲烷產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,助力我國(guó)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。