Vht氢化酶在Methanosarcina barkeri从阴极直接摄取电子过程中的关键作用及其对生物电化学产甲烷的启示

本研究针对厌氧消化系统中Methanosarcina barkeri如何从阴极直接摄取电子（DET）的科学问题，通过构建-0.6 V（非产H2）和-1.0 V（产H2）的生物电化学系统，结合转录组学和通量平衡分析（FBA），发现Vht氢化酶在DET过程中起核心作用，同时揭示了Fpo脱氢酶的代偿机制。该成果为优化生物电化学产甲烷系统提供了理论依据，发表于《Cell Reports Physical Science》。

　　

在追求碳中和的全球背景下，利用微生物将有机废弃物转化为生物甲烷（bio-methane）已成为可再生能源领域的热点。然而，传统厌氧消化系统存在甲烷产率低、CO₂转化效率不足等瓶颈。近年研究发现，施加电流可显著提升甲烷产量，但其中关键微生物Methanosarcina barkeri如何从阴极直接获取电子（direct electron transfer, DET）的分子机制尚不明确。这一科学盲区限制了生物电化学系统（BES）的优化设计。

北京林业大学环境科学与工程学院的研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表论文，通过构建两种电位（-0.6 V和-1.0 V vs. Ag/AgCl）的微生物电解池（MEC），结合多组学分析和基因敲除实验，揭示了Vht氢化酶在DET中的核心作用。研究发现，在-0.6 V（不产H₂）条件下，M. barkeri通过上调Vht氢化酶基因表达实现直接电子摄取，使CO₂还原效率提升至24%；而当vhtGAC基因簇缺失时，菌株通过激活Fpo脱氢酶通路代偿电子传递功能。该研究为生物电化学产甲烷技术的工程优化提供了关键靶点。

关键技术方法包括：1）构建双室三电极MEC系统，分别设定-0.6 V（非H₂生成）和-1.0 V（H₂生成）阴极电位；2）采用转录组学分析差异表达基因；3）基于基因组尺度代谢模型的通量平衡分析（FBA）；4）CRISPR-Cas9介导的vhtGAC基因敲除；5）电化学表征（CV、EIS、LSV）结合气相色谱监测代谢产物。

研究结果

MEC反应器性能比较
-0.6 V和-1.0 V反应器的甲烷产量分别达5.86±0.23和5.91±0.12 mmol，显著高于对照组（5.21±0.12 mmol）。-0.6 V组未检测到H₂，但CO₂还原效率达24%，证实存在非H₂介导的电子传递途径。

电化学特性与微生物形态
LSV显示-0.6 V组电子摄取起始电位为-0.35 V，SEM证实该组阴极生物膜更致密。CV在-0.6 V处出现CO₂还原峰，EIS显示其内阻（R₁+R₂）比-1.0 V组低42%。

转录组分析揭示Vht氢化酶作用
-0.6 V组中vhtABCD基因表达量较对照组高3.4倍（p<4.8×10^-8），同时frhADGB（胞内氢循环相关）表达上调。Fpo脱氢酶基因表达量始终低于中位数，排除其主要作用。

通量平衡分析与分子对接
FBA显示Vht缺失时Fpo通路通量从0升至1（最大约束值）。分子对接证实VhtA亚基酪氨酸残基与电极形成π-π相互作用（距离3.4 ?），具备DET结构基础。

vhtGAC敲除验证
△vhtGAC菌株在-0.6 V条件下生长延迟48小时，但最终甲烷产量与野生型相当（5.60±0.08 vs 5.88±0.12 mmol），RT-qPCR显示fpoD表达上调2.3倍，印证FBA预测的代偿机制。

结论与意义
该研究首次阐明M. barkeri通过Vht氢化酶实现阴极直接电子摄取的分子机制，突破了对古菌电活性认识的局限。发现当Vht缺失时，菌株可激活Fpo脱氢酶替代通路维持电子传递，这种代谢灵活性为工程菌株构建提供了新思路。研究成果不仅深化了对厌氧消化系统中微生物电化学过程的理解，更为设计高效生物电化学产甲烷系统提供了理论支撑，对推动废弃物能源化利用和碳中和目标实现具有重要实践价值。