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产甲烷古菌是唯一能够合成甲烷的一类微生物,其生长环境严格厌氧,仅能利用乙酸、氢气、甲酸等简单有机物进行生长。Methaaosarcina barker 是极少数同时具备氢型和乙酸型产甲烷能力的古菌,是产甲烷机理研究的模式菌株。近年来的研究发现,M.barkeri能够吸收胞外电子产甲烷。产甲烷菌主要通过细菌外膜细胞色素蛋白、菌毛或导电固体3种方式进行直接电子吸收。其中,磁铁矿凭借其良好的导电性而广泛被用于产甲烷机制研究。深刻认识产甲烷过程的微观机制,将会为人类实现甲烷的减排以及能源的合理利用打下基础。本文以M.bareri为研究对象,建立纯培养、生物电化学系统(BES)、共培养三种体系,通过分析气体组分变化、纳米Fe3O4的形态结构、电化学性能以及菌体分布,研究纳米Fe3O4与M.barkeri之间的相互作用,阐明导电物质对胞外电子吸收的影响,主要结论如下:(1)纳米Fe3O4能够促进M.bakeri裂解乙酸产甲烷。M.barkarri纯培养处理最大产甲烷速率为2.91 mmol/L·d,M.barkeri加铁处理最大产甲烷速率为6.15 mmol/L·d,添加纳米Fe304将最大产甲烷速率提高了 1.11倍。M.bareri的生长不会影响纳米Fe3O4的形态与结构,但纳米颗粒能够促进菌铁团聚。纳米Fe304促进产甲烷的机制可能是其良好导电性能减小了反应体系的阻抗,增强了氧化还原活性,提高了M.barkeri代谢乙酸的能力。(2)M.barkeri能够吸收阴极电子还原CO2产甲烷。在-0.64 V(vs.SCE)阴极电势条件下,M.barkeri的最大甲烷产量为22.88μmol/L。添加纳米Fe3O4增强了M.brkeri电化产甲烷的能力,将最大甲烷浓度(34.51μmol/L)提高0.51倍。碳纳米颗粒(CNP)固定M.barkeri至阴极进一步促进了其对阴极电子的吸收,与未固定(62.24μmol/L)相比,其最大甲烷产量(90.55 μnol/L)提高了 0.45倍。而CNP固定菌并加铁将最大甲烷浓度(135.15 μmol/L)在未固定的基础上提高了 1.17倍。电化学实验表明纳米Fe304提高了反应体系的氧化还原活性,有利于M.baeri吸收电极电子。原位FTIR证实M.barkeri含有大量细胞色素c,其可能通过细胞色素c吸收阴极电子。(3)纳米Fe304能够促进GSS01与M.barkeri通过DIET产甲烷。GSS01与M.bakeri互营处理的最大产甲烷速率为1.99 mmol/L-d,互营加铁处理的最大产甲烷速率为3.06 mmol/L·d,将最大产甲烷速率提高了 0.54倍。GSS01与M.barkeri通过种间氢传递和DIET交换电子,纳米Fe304能够促进微生物团聚,缩短DIET过程中的物理距离,减小互营体系的阻抗,提高电子传递效率。综上所述,纳米Fe304能够促进产甲烷,提高M.barkeri代谢乙酸和吸收胞外电子的能力。我们的研究不仅利用导电物质证实了M.barkeri能够吸收电极电子,也为深刻理解产甲烷过程的微观机制提供了新的研究视角。