生物炭诱导群体感应通过强化种间直接电子传递促进产甲烷的机制研究

本研究针对生物炭促进厌氧消化中种间直接电子传递(DIET)的机制不明问题，通过分析N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)介导的群体感应(QS)作用，发现生物炭可提升AHLs分泌量约2.7倍，促进c型细胞色素和类腐殖酸合成，使产甲烷速率提升24.97±0.23%，并富集Geobacter(2.88%→4.91%)和Methanosaeta(54.69%→55.60%)等电活性菌，为生物炭强化厌氧消化提供了新理论依据。

　　

在追求碳中和的背景下，厌氧消化技术因其能将有机废弃物转化为甲烷而备受关注。然而，传统厌氧消化系统存在电子传递效率低、甲烷产率不稳定等瓶颈问题。近年研究发现，添加生物炭可显著提升系统性能，但其通过群体感应调控微生物互作的分子机制仍是未解之谜。尤其令人困惑的是，生物炭如何影响N-酰基高丝氨酸内酯这类关键信号分子，进而改变胞外电子传递网络？这一问题对开发高效厌氧消化技术具有重要科学价值。

陕西某研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究，首次揭示了生物炭-AHLs-DIET的级联调控机制。研究人员采用批次实验结合Gompertz模型分析产甲烷动力学，通过UPLC-MS/MS定量AHLs，利用三维荧光光谱和电化学分析表征胞外聚合物(EPS)的电子传递性能，并结合16S rRNA测序解析微生物群落演变。

生物炭对产甲烷的影响
通过对比不同食微比(F/M)条件下的产气曲线，发现添加生物炭使延滞期(t₀
)缩短6.54-11.69%，最大产甲烷速率(R_max
)提升24.97±0.23%。这表明生物炭不仅加速反应启动，更显著提高了电子传递效率。

AHLs的调控作用
生物炭使系统内AHLs总量增加约2.7倍，其中C4-HSL、C10-HSL和C14-HSL尤为显著。这些信号分子通过激活QS通路，促进c型细胞色素和类腐殖酸物质的合成，使EPS的电子交换能力提升37.5%，为DIET创造了有利条件。

微生物群落响应
16S rRNA分析显示，生物炭组中电活性菌Geobacter相对丰度从2.88%增至4.91%，产甲烷菌Methanosaeta从54.69%升至55.60%。这种特异性富集与AHLs的浓度梯度呈显著正相关，证实了QS对功能菌群的定向调控作用。

该研究创新性地构建了"生物炭-AHLs-EPS-DIET"的作用链条，阐明QS是连接材料特性与微生物功能的关键桥梁。实践层面，研究为开发基于信号分子调控的高效厌氧消化工艺提供了新思路，通过精准调控C4-HSL等特定AHLs浓度，有望实现甲烷产量的定向提升。理论层面，揭示了非生物因素（生物炭）通过微生物社会行为（QS）影响能量代谢（DIET）的跨尺度机制，为环境微生物生态学研究开辟了新视角。