热原碳促进硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化：揭示ANME古菌代谢与微生物动态中的氧化还原活性和导电性机制

本研究针对硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化（AOM）过程在温室气体减排中的关键作用，探究了热原碳（PC）材料对其代谢活性和微生物互作的影响。研究团队通过添加经HNO3处理的生物炭（增强氧化还原活性）和石墨（增强导电性），发现AOM速率分别显著提高了2.7倍和4.4倍，并伴随“Candidatus Methanoperedens nitroreducens”的增殖及电子传递系统（ETS）活性、总腺嘌呤核苷酸（TAN）和关键辅因子F420水平的上升。宏基因组分析进一步揭示了PC材料通过重塑微生物互作网络（如促进直接种间电子传递DIET）和优化反硝化功能分工，显著增强了甲烷去除与氮循环效率。该研究为理解PC在水生生态系统甲烷减排中的机制提供了新见解，并为开发基于AOM的工程化系统优化策略提供了理论依据。

　　

甲烷（CH₄）是一种强效温室气体，其全球变暖潜能值约为二氧化碳（CO₂）的27倍。水生生态系统贡献了全球近一半的甲烷排放，但同时其中产生的甲烷也有相当一部分在厌氧条件下被厌氧甲烷氧化古菌（ANME）通过厌氧甲烷氧化（AOM）过程氧化为CO₂，从而成为缓解全球变暖的重要甲烷汇。硝酸盐依赖型AOM，主要由“Candidatus Methanoperedens”类古菌驱动，是淡水环境中主导的AOM途径，构成了全球甲烷氧化的显著部分。

热原碳（Pyrogenic Carbon, PC）是生物质和化石燃料不完全燃烧的产物，广泛存在于各类生态系统中。近年来的研究表明，PC可通过其多孔结构、表面官能团、氧化还原活性及导电性等多种特性，显著影响温室气体排放，尤其是在甲烷循环（包括产甲烷作用和甲烷氧化）中扮演重要角色。然而，PC如何影响硝酸盐依赖型AOM、其背后的微生物学机制，以及PC的不同特性（如氧化还原活性与导电性）在其中分别起到什么作用，仍不清楚。

为了深入理解PC对硝酸盐依赖型AOM的影响及其机制，一个研究团队在《Water Research》上发表了他们的最新研究成果。他们以富含“Candidatus Methanoperedens nitroreducens”（一种进行硝酸盐依赖型AOM的古菌）和“Candidatus Kuenenia stuttgartiensis”（一种其共存的厌氧氨氧化细菌）的微生物聚集体为研究对象，在系统中分别添加了原始生物炭、经硝酸（HNO₃）处理的生物炭（旨在增强其氧化还原活性）和高导电性的石墨，以模拟和区分PC不同特性产生的影响。

为开展本研究，研究人员主要应用了几项关键技术方法：1） 使用来自一个以甲烷、硝酸盐和铵为主要基质的序批式反应器（SBR）中富集的微生物聚集体作为接种物；2） 进行批次实验，监测CH₄、NO₃^--N、NH₄⁺-N的消耗和N₂的产生；3） 通过蛋白定量和实时定量PCR（qPCR）追踪微生物生长及特定功能种群（如“Ca. M. nitroreducens”）的丰度变化；4） 测量电子传递系统（ETS）活性、总腺嘌呤核苷酸（TAN）、辅酶F₄₂₀以及NAD(P)池等代谢指标以评估微生物代谢活性；5） 利用宏基因组测序分析微生物群落结构、功能基因丰度及潜在代谢途径。

3.1. Different PC affect nitrate-dependent AOM differently

研究发现，与未添加PC的生物对照组相比，添加石墨的体系立即表现出AOM过程的加速。经过HNO₃处理的生物炭的促进作用则在后续的喂养周期中逐渐显现。在整个实验期间，石墨修正的系统在CH₄、NO₃^-和NH₄⁺消耗以及N₂生成方面持续表现最佳。定量分析表明，HNO₃处理生物炭和石墨系统中的硝酸盐消耗速率、铵消耗速率、AOM速率和N₂生成速率均显著高于对照组，其中石墨的提升效果最为显著，AOM速率提高了4.4倍。

3.2. Stimulated microbial growth by PC amendment

PC的添加，尤其是石墨和HNO₃处理生物炭，显著促进了微生物的生长，其蛋白浓度远高于对照组。通过qPCR对特定功能基因的分析表明，“Ca. M. nitroreducens”（通过mcrA基因表征）的拷贝数在HNO₃处理生物炭和石墨系统中显著增加。总古菌和总细菌的丰度也因PC添加而增加，表明PC不仅刺激了ANME古菌，也促进了其细菌伙伴的生长。

3.3. Enhanced electron transport and energy conservation by PC amendment

代谢活性分析显示，PC添加提高了总腺嘌呤核苷酸（TAN）水平和电子传递系统（ETS）活性，表明细胞能量池和呼吸能力得到增强。关键电子载体辅酶F₄₂₀的水平也显著上升，在石墨系统中尤为突出。NADP和NAD池的变化则提示PC添加可能影响了与生物合成和细菌代谢相关的电子供应。这些结果表明PC amendment从根本上刺激了细胞内能量代谢和电子传递过程。

3.4. Shift in microbial community induced by PC amendment

宏基因组分析揭示PC添加改变了微生物群落结构。HNO₃处理生物炭增加了“Ca. M. nitroreducens”的相对丰度，同时降低了如Melioribacteraceae sp.等反硝化细菌的丰度。石墨修正则对“Ca. M. nitroreducens”的相对丰度影响不大，但显著促进了其他反硝化菌如Bacteroidota sp.和Ignavibacteriaceae sp.的增加。这表明不同类型的PC通过不同的方式重塑了微生物互作网络。

3.5. PC-induced shifts in gene abundance related to methane and nitrogen metabolism

对功能基因的分析发现，HNO₃处理生物炭系统中与甲烷氧化（mcrABCD）和CO₂固定（Wood-Ljungdahl途径）相关的基因丰度更高。对于氮循环基因，PC添加也改变了其丰度和 taxonomic 来源。例如，石墨添加显著提高了与一氧化氮还原（norB）相关的基因丰度，且其主要贡献者变为Bacteroidota sp.。这些变化揭示了PC影响下微生物群落功能分工的重塑。

4. Discussion

本研究揭示了一个先前未被充分认识的PC角色：通过其氧化还原活性和导电性来促进硝酸盐依赖型AOM。其机制并非通过提高甲烷溶解度或改变pH，而是 likely 通过直接调节“Ca. M. nitroreducens”的核心代谢酶活性和电子传递链，从而优化电子通量和能量效率。这不同于PC在铁依赖AOM中主要作为电子穿梭体的作用。

PC添加还改变了微生物间的互作动态。HNO₃处理生物炭维持了原有的基于代谢物交换的互作模式但改变了种群比例。而高导电性的石墨则可能促进了“Ca. M. nitroreducens”与某些反硝化细菌（如Bacteroidota sp.）之间通过直接种间电子传递（DIET）建立新的、更高效的 syntrophic 合作关系。电化学分析为DIET的存在提供了支持证据。

4.3. Enhancing AOM with PC ?? implications for biogeochemical cycles, greenhouse gas mitigation and engineering applications

该发现具有重要的生态学和生物技术应用意义。在生态方面， wildfires 等产生的PC输入生态系统，可能通过增强硝酸盐依赖型AOM这一重要的甲烷汇，部分抵消火灾本身的温室气体排放，构成一种新的气候冷却机制。在技术应用方面，AOM-based 生物技术（如污水处理、 landfill 气管理）一直受限于其低速率和长启动时间。PC作为一种成本低廉、环境友好的材料，其应用有望显著推动这些技术的发展。通过定制PC的电化学特性，可以最大化其长期应用价值。

5. Conclusions

该研究证实，氧化还原活性和导电性PC能显著增强硝酸盐依赖型AOM的动力学性能。其促进作用与“Ca. M. nitroreducens”的生长和代谢活性增强密切相关。不同类型的PC通过不同的机制塑造微生物互作：氧化还原活性PC主要通过增加ANME古菌的丰度，而导电性PC则可能通过DIET招募新的反硝化伙伴，建立更高效的微生物网络。这些发现深化了我们对PC在环境中作用的认知，并为开发基于AOM的甲烷减排技术提供了新的思路和策略。