微量金属补充对氢气和二氧化碳饥饿条件下厌氧生物甲烷化的影响机制研究

本研究针对间歇性氢气/二氧化碳供应对厌氧微生物群落的影响机制这一关键科学问题，通过镍(Ni)和钴(Co)选择性补充实验，结合多组学分析揭示了Methanothermobacter thermautotrophicus MN_MX1在饥饿胁迫下的代谢适应策略。研究发现Ni补充显著促进微生物群落恢复，通过上调mcr基因表达提高甲烷产量，同时首次发现细菌群落通过甘氨酸裂解系统(GCS)途径参与碳代谢的遗传可塑性。该研究为优化生物甲烷化工艺提供了重要理论依据。

　　

在全球碳减排的背景下，生物甲烷化技术因其能够将二氧化碳(CO₂)转化为可再生能源甲烷(CH₄)而备受关注。然而，这一过程面临两个关键挑战：一是依赖不稳定的绿色氢气(H₂)供应，二是对微量金属在群落水平的作用机制认识不足。现有研究表明，镍(Ni)和钴(Co)是产甲烷过程的关键辅因子，但它们在混合微生物群落应对间歇性底物供应时的具体作用仍不清楚。更令人困惑的是，在底物饥饿条件下，微生物群落如何维持代谢活性并快速恢复产甲烷能力，这一机制尚未得到系统阐释。

针对这些科学问题，来自意大利帕多瓦大学的研究团队在《npj Biofilms and Microbiomes》发表了创新性研究成果。研究人员设计了三阶段渐进式饥饿实验，结合Ni/Co选择性补充策略，采用基因组尺度代谢模型(GEMs)和单核苷酸变异(SNVs)分析等前沿技术，揭示了厌氧微生物群落在间歇性H₂/CO₂供应条件下的适应机制。

研究采用了多项关键技术方法：通过宏基因组测序重建了21个中高质量基因组草图(MAGs)；利用宏转录组分析揭示了关键代谢通路表达变化；应用flux balance analysis(FBA)模拟群落代谢网络；采用strain-resolved metagenomics追踪SNVs动态变化。实验使用简化群落接种物，在55°C恒温条件下进行间歇式培养，设置3天、5天和10天三个梯度饥饿期。

研究结果部分，"Temporal tracking of biochemical dynamics in CO₂ biomethanation"显示，Ni补充组的OD₆₀₀恢复速度比对照组快2-3天，CH₄产量最高达对照组的4.5倍。宏转录组数据显示mcrA基因在Ni组表达量显著上调1.5倍，与甲烷产率呈正相关。

"Microbiome profiling during intermittent feeding"部分发现，优势菌Methanothermobacter thermautotrophicus MN_MX1相对丰度(RA)达87%，但在饥饿期下降至75%。β多样性分析显示Ni补充组形成独立聚类，与对照组和Co组明显分离。

"Assessing species metabolic potential"部分的功能注释表明，细菌群落普遍含有甘氨酸裂解系统(GCS)通路基因，而古菌则具有完整的氢营养型产甲烷途径。特别值得注意的是，Caldanerobacter subterraneus MN_VB17含有formate-tetrahydrofolate ligase(fhs)基因，提示可能存在种间甲酸转移。

"Transcriptome activity"部分揭示，Ni补充显著上调了肽/镍转运系统基因(如nikA)表达，其FPK值达15000，是对照组的15倍。Co补充则使依赖钴胺素的氨基变位酶基因(kamD)表达上调65倍。

"Reconstruction of microbial interaction"部分的代谢模型预测显示，古菌主要分泌苏氨酸和丝氨酸，而细菌则产生甘氨酸和丙氨酸，形成互补的氨基酸交换网络。模型预测的CH₄产量与实际测量值高度相关(Pearson r=0.74)。

"Variant analysis"部分发现，细菌基因组表现出显著的可塑性，累计发现8452个SNVs，其中67.1%为非同义突变(nsSNVs)。值得注意的是，Tissierellaceae sp. MN_MX6在fhs基因上出现N221S突变，可能影响其参与乙酸氧化的能力。

研究结论部分强调，这项工作首次系统阐明了微量金属补充对厌氧CO₂固定微生物组的调控机制。主要创新点包括：发现Ni通过促进[NiFe]氢酶(MvhAGD)和异二硫化物还原酶(HdrABC)复合体的形成，加速电子传递效率；揭示细菌群落在饥饿压力下通过GCS途径维持代谢活性的遗传可塑性；建立基于氨基酸交换的种间互作模型。这些发现不仅深化了对厌氧微生物组应对环境胁迫机制的理解，还为优化工业规模生物甲烷化工艺提供了重要理论指导，特别是在应对间歇性可再生能源供电场景下的工艺稳定性提升方面具有重要应用价值。