发布时间：2022-07-10
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我国“十四五”规划纲要提出，力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。实现“双碳”目标，碳排放控制是重要的核心问题。作为碳排放的重要形式之一，甲烷的增温效应值是二氧化碳的34倍。另一方面，甲烷作为一种易燃气体，也可以作为清洁能源，广泛运用于生产生活当中。现代人类活动过程产生大量的高有机质含量的废物，如生活污水，发酵工业废水，秸秆等，通过厌氧发酵可以转化为清洁能源—甲烷，应用于生产生活中，但是厌氧发酵存在着反应时间长、甲烷产量低等缺陷，因此开发高效厌氧发酵产甲烷技术对于碳排放控制有着重要意义。近期，生物物理重点实验室于家峰教授带领的山东省生物信息多学科交叉研究团队在Bioresource Technology杂志（IF 11.889）发表研究论文，该工作融合宏基因组及纳米技术提出了磁铁矿纳米颗粒通过提高乙酸裂解进而促进甲烷产生的新机制。
已有研究表明具有优良导电性能的含碳/铁等基质可以促进厌氧消化和产甲烷过程，多数研究解释为其促进种间直接电子传递（DIET），但是微生物机制仍存在争议。本研究探讨了磁铁矿纳米颗粒和V3O7⋅H2O纳米管在不同发酵阶段对甲烷产生的促进作用，研究发现磁铁矿纳米颗粒促进了葡萄糖分解和乙酸的积累，而V3O7⋅H2O纳米管延缓了葡萄糖的分解。进一步的宏基因组数据分析阐明磁铁矿纳米颗粒提高了Parabacteroides chartae的含量从而促进了葡萄糖分解和乙酸的积累，为乙酸裂解途径提供了丰富的底物。因此，磁铁矿纳米颗粒通过增强细菌发酵，而不是产甲烷过程或DIET协作过程来促进甲烷产生。相对的，弱导电性V3O7⋅H2O纳米管增加了潜在产氢细菌Brevundimonas、产电微生物 Clostridium和Rhodoferax的数量，从而可能通过促进DIET增加甲烷产量。 本研究证明导电性可能不是DIET的关键因素，且金属氧化物纳米材料对甲烷产生的影响具有不同的策略。
本研究得到国家自然科学基金、山东省高等学校青年创新团队发展计划的经费资助。生物信息多学科交叉团队刘健博士为本文共同完成作者。
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