清華新聞網(wǎng)8月21日電（通訊員 王名威）近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院張瀟源課題組在強(qiáng)化污水厭氧生物處理種間電子傳遞研究中取得新進(jìn)展，在細(xì)胞水平揭示了贗電容/電導(dǎo)材料介導(dǎo)微生物種間電子傳遞過(guò)程的作用機(jī)制，為指導(dǎo)厭氧水處理過(guò)程中電活性材料的設(shè)計(jì)提供了新思路和新方法。
相關(guān)成果以“二元電活性材料強(qiáng)化厭氧廢水處理：贗電容/電導(dǎo)介導(dǎo)微生物種間電子傳遞”（Enhanced Anaerobic Wastewater Treatment by a Binary Electroactive Material: Pseudocapacitance/Conductance Mediated Microbial Interspecies Electron Transfer）為題發(fā)表在《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》（Environmental Science & Technology）上，并被選為當(dāng)期封面（Front Cover）。
《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》（Environmental Science & Technology）當(dāng)期封面
厭氧消化是一個(gè)由多種微生物協(xié)同參與將有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為產(chǎn)甲烷的過(guò)程。其中，微生物種間電子傳遞對(duì)于調(diào)節(jié)微生物互養(yǎng)代謝平衡，提升厭氧消化效率及維持系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義，是厭氧生物處理領(lǐng)域的研究前沿。張瀟源課題組開(kāi)發(fā)了一種基于贗電容與電導(dǎo)的二元電活性材料強(qiáng)化厭氧有機(jī)廢水處理的方法，可提高產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌種間電子傳遞速率，調(diào)節(jié)兩者在生產(chǎn)電子和消耗電子速率上的差異，提升厭氧消化性能。
二元電活性材料通過(guò)電導(dǎo)與贗電容介導(dǎo)產(chǎn)酸細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌電子轉(zhuǎn)移的過(guò)程示意圖
二元電活性材料介導(dǎo)微生物種間電子傳遞的過(guò)程機(jī)制如下：材料的導(dǎo)電性可協(xié)助產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌建立種間直接電子傳遞過(guò)程（DIET），加速二者間電子轉(zhuǎn)移速率；而產(chǎn)酸菌分解有機(jī)物生產(chǎn)電子速率大于產(chǎn)甲烷消耗電子速率時(shí)，二元電活性材料則通過(guò)贗電容性的生物炭（醌基）緩存過(guò)剩電子，然后緩慢釋放給產(chǎn)甲烷菌。類(lèi)似于計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)從高速讀取的運(yùn)行內(nèi)存轉(zhuǎn)移到大容量的硬盤(pán)中進(jìn)行存儲(chǔ)的傳輸機(jī)制。材料對(duì)電子的緩沖作用使反應(yīng)器保持在適宜的pH，減輕了酸性積累對(duì)產(chǎn)甲烷的抑制作用。而產(chǎn)甲烷的穩(wěn)定運(yùn)行則可維持反應(yīng)器的低氫氣分壓環(huán)境，促進(jìn)產(chǎn)酸菌細(xì)胞內(nèi)的NADH/NAD+的轉(zhuǎn)化，使H+不斷被輸送到細(xì)胞膜外，形成的質(zhì)子動(dòng)勢(shì)來(lái)合成ATP，為胞外水解酶（如α-Glucosidase和protease）以及細(xì)胞色素c（Cyt c）的合成提供了能量，加速有機(jī)物的降解。種間電子傳遞過(guò)程的強(qiáng)化使反應(yīng)器內(nèi)污泥總體的電導(dǎo)率提高了72%，加快了有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷的效率。
論文通訊作者為清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院張瀟源副教授，第一作者為環(huán)境學(xué)院博士后王名威。論文共同作者包括清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院黃霞教授、博士生任騰飛、尹夢(mèng)茜、徐慧和碩士生盧科潮。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.3c01986
供稿：環(huán)境學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
