人工碳纳米线簇与细胞色素c（Cyt c）之间的界面电子转移：为实现甲烷生成过程中的电子传输提供基础

《Water Research》：Interfacial electron transfer between artificial carbon nanowires clusters and Cyt c: Enabling electron transport for methanogenesis

人工碳纳米线簇（ACNC）通过塑料/污泥共热解制备，具有密集导电网络结构，显著提升细胞色素c（Cyt c）与生物炭（BC）和碳纳米管（CNT）间的界面电子转移效率。电化学表征显示ACNC比BC和CNT具有更高的赝电容和双电层电容，能带对齐更优，促进Cyt cβ-折叠构象变化，增强电子传递方向性。代谢组学分析表明ACNC使产甲烷菌Methanothrix丰度增加1.67倍，多血红素细胞色素MtrC/Ech/Rnf上调1.16倍，最终提升甲烷生成率123%。研究为塑料资源化与微生物电子传递协同增效提供新策略。

　　在厌氧消化过程中，微生物之间的电子传递是实现甲烷生成的关键机制之一。这一过程主要依赖于微生物纳米线和细胞色素c（Cyt c）介导的电子转移，从而支持共代谢活动。然而，这种功能仅在少数微生物基因组中被编码，限制了其在自然环境中的广泛应用。为了解决这一问题，研究团队开发了一种人工碳纳米线簇（ACNC），该材料来源于塑料和污泥的前驱体，具有密集排列的纳米线结构（直径20-60纳米），能够形成导电网络，为微生物的附着和电子传递提供支持。通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）分析，研究发现ACNC与Cyt c之间的界面电子传递能力显著优于传统生物炭（BC）和碳纳米管（CNT）。此外，Mott-Schottky分析表明，ACNC与Cyt c之间的能级对齐更为优越，从而提高了ACNC-Cyt c复合物的电流响应，这对高效的电子传递至关重要。圆二色光谱和电子顺磁共振（EPR）光谱进一步揭示了ACNC能够增加Cyt c中β折叠结构的含量，优化其电子传递方向。在微生物群落中，ACNC的添加显著富集了具有电活性的微生物种群。宏基因组分析显示，Methanothrix的丰度增加了1.67倍，同时多血红素细胞色素（MtrC/Ech/Rnf）的表达上调了1.16倍，最终使甲烷化速率提高了123%。这些结果表明，ACNC不仅能够有效促进电子传递，还能显著提升厌氧消化系统的甲烷生成效率。

厌氧消化中的甲烷生成依赖于微生物之间的共代谢作用，其核心机制是通过细胞外电子传递（EET）介导的呼吸过程。在甲烷生成过程中，微生物通过氧化还原反应将细胞内电子传递给终端电子受体，最终生成甲烷。目前，已知的三种主要的跨物种电子传递途径包括：（1）跨物种的氢/甲酸传递，（2）通过氧化还原介体（如Cyt c）进行的电子穿梭，以及（3）由微生物纳米线介导的直接跨物种电子传递（DIET）。然而，并非所有微生物都能分泌细胞外的氧化还原活性物质，而且前两种途径的效率常常受到扩散限制和微生物环境中底物浓度较低的影响。为了解决这些问题，纳米线作为一种适应性电子传递机制逐渐发展起来，能够实现快速的长距离电子传输。已知的纳米线生成微生物包括Geobacter属，其中特定的纳米线蛋白如OmcS、OmcZ和OmcE已被鉴定。尽管纳米线在电子传递方面具有优势，但其在空间、动力学和热力学上的限制仍然阻碍了电子从内膜向纳米线的传输。例如，Geobacter spp.的周质空间宽度约为40纳米，而高效电子隧穿的最大距离约为1.4纳米，这限制了直接的电子穿梭过程。虽然电子跳跃仍然是可行的机制，但将电子从周质空间转移到纳米线如OmcS时，仍然存在约100毫伏的热力学障碍。Salgueiro等人（2022）提出，周质细胞色素（PpcABCDE）可以存储电子以加速内膜与纳米线之间的电子传递，但这一过程需要PpcABCDE与纳米线之间的特异性结合，限制了其实际应用的可行性。因此，人工纳米线的开发为克服这些限制提供了新的策略，能够直接连接周质氧化还原中心与细胞外电子受体，从而提高细胞外呼吸的效率并缓解热力学障碍。

生物炭作为一种广泛使用的导电介质，常被用于厌氧消化系统以增强DIET。其高孔隙结构有助于微生物的附着，而导电性和表面氧化还原活性官能团则促进了电子传递。然而，生物炭无法穿透周质空间，这限制了其在增强周质电子传递方面的效果。为了解决这一问题，研究人员开发了基于纳米材料的策略，以改善生物膜中长距离和跨物种电子传递的效率。例如，Kirchhofer等人设计了一种红ox活性分子DSFO，该分子能够锚定在细胞膜上，促进跨膜电子传递。在DSFO中，钯纳米颗粒增强了周质电子传递，而较大的钯颗粒则作为内膜和外膜细胞色素之间的导电桥梁，使电流输出增加了38倍。同样，Yong等人构建了一个导电的氧化石墨烯支架，将其整合到生物膜中，使向外和向内的电流分别增加了25倍和74倍。值得注意的是，生物炭的大颗粒尺寸成为其主要限制因素，因为其降低了电子接触效率，与这些纳米材料相比，电子传递的效率明显较低。

人工纳米线的设计策略主要集中在两个关键方面：（1）优化生物相容性和表面积以促进微生物的稳定附着，以及（2）确保优异的电导率以高效地介导细胞内Cyt c与细胞外受体之间的电子传递。已有研究表明，将碳纳米管（CNT）与石墨烯结合可以提供出色的导电性、稳定性和生物相容性，同时克服了CNT无法形成三维结构供细菌附着的局限性。CNT的电导率（100 S/cm）显著高于最导电的纳米线（12 S/cm），这使得其在电子传递方面具有明显优势。基于此，研究团队利用生物炭在800°C高温下热解后的石墨烯样结构，以及塑料热解产生的合成气副产物（如CH?、C22?）与化学气相沉积（CVD）合成CNT的前驱体（如CH?、C?H?等）之间的相似性，提出了一种通过塑料热解在生物炭表面合成碳纳米簇的新方法。该方法旨在建立一种可持续的合成策略，通过污泥基生物炭与废塑料的共热解，开发出具有碳纳米线特性的ACNC材料。研究的具体目标包括：首先，合成并全面表征ACNC的物理化学性质；其次，评估其在增强界面电子传递（特别是与Cyt c的相互作用）方面的有效性，并测试其电化学性能；第三，探究其生物相容性及其在塑造微生物群落结构中的作用；最后，量化其在厌氧消化过程中提升甲烷生成效率的最终性能。这一方法创新性地将废弃物资源化与纳米-生物界面工程相结合，为生物能源的高效回收提供了新的材料解决方案。

ACNC的合成过程涉及将0.1克氧化铁、1克塑料/污泥基生物炭和10克聚丙烯（PP）塑料混合、干燥并在管式炉中以800°C的温度进行2小时的热解处理，加热速率为10°C/分钟，氮气流速为90 mL/分钟。热解后，冷却并收集样品作为ACNC。在合成ACNC之前，首先制备了塑料/污泥基生物炭（BC）基质。市政污泥经过干燥、研磨和过60目筛后，与85%的磷酸混合，随后进行热解处理。热解后的BC基质表面成功形成了碳纳米线簇结构，这一结构通过扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱得到了确认。SEM图像显示，ACNC呈现出密集排列、相互连接的碳纳米线网络，均匀分布在BC基质表面，而原始BC则表现出相对光滑和多孔的表面。进一步的FE-SEM图像（30,000倍放大）进一步突出了ACNC的微观结构特征。拉曼光谱分析表明，ACNC具有高度石墨化的碳结构，其峰形和位置与原始BC相比发生了显著变化，这反映了其在结构和化学性质上的优化。此外，ACNC的比表面积和孔隙率均高于原始BC，为微生物的附着和电子传递提供了更大的表面积和更丰富的界面。

为了评估ACNC在增强界面电子传递方面的性能，研究团队进行了电化学分析。通过CV和EIS测试，研究发现ACNC与Cyt c之间的界面电子传递效率显著优于BC和CNT。Mott-Schottky分析进一步揭示了ACNC与Cyt c之间的能级对齐更为优越，这使得电子在ACNC-Cyt c复合物中的传递更加高效。此外，圆二色光谱和EPR光谱分析表明，ACNC能够诱导Cyt c中β折叠结构的增加，从而优化其电子传递方向。这些结果表明，ACNC不仅能够促进电子的快速传递，还能通过结构上的优化，提高电子传递的效率和方向性。在微生物群落中，ACNC的添加显著富集了具有电活性的微生物种群。宏基因组分析显示，Methanothrix的丰度增加了1.67倍，同时多血红素细胞色素（MtrC/Ech/Rnf）的表达上调了1.16倍，最终使甲烷化速率提高了123%。这些结果表明，ACNC不仅能够有效促进电子传递，还能显著提升厌氧消化系统的甲烷生成效率。

在生物相容性方面，研究团队通过多种实验手段评估了ACNC对微生物群落结构的影响。实验结果表明，ACNC能够支持微生物的稳定附着和生长，同时不会对微生物的代谢活动产生显著的毒害作用。这表明ACNC具有良好的生物相容性，能够作为微生物的适宜载体，促进其在厌氧环境中的生存和繁殖。此外，ACNC的高孔隙率和大表面积为微生物提供了更多的附着位点，从而增强了其在厌氧消化系统中的活性和稳定性。在电化学性能方面，ACNC表现出优异的导电性和电化学活性，能够有效介导电子的传递。这些特性使得ACNC成为一种理想的材料，用于促进厌氧消化中的电子传递过程。

综上所述，本研究通过共热解的方法，成功合成了具有碳纳米线特性的ACNC材料，该材料不仅具备优异的导电性，还具有良好的生物相容性。ACNC的微观结构特征，如密集排列的纳米线网络和高度石墨化的碳结构，使其在促进微生物附着和电子传递方面表现出显著优势。电化学分析表明，ACNC能够显著提高与Cyt c之间的界面电子传递效率，同时优化电子传递的方向性。在微生物群落中，ACNC的添加显著富集了具有电活性的微生物种群，提高了甲烷生成效率。这些结果表明，ACNC在厌氧消化系统中具有广泛的应用前景，能够作为高效的电子传递介质，促进生物能源的回收。本研究创新性地将废弃物资源化与纳米-生物界面工程相结合，为开发高效的生物能源回收材料提供了新的思路和方法。