整合宏基因组学与非靶向代谢组学解析植物源微生物燃料电池中微生物动态与非挥发性代谢谱的关联机制

本研究针对微生物燃料电池(MFC)中电活性菌群与代谢调控机制不明的关键问题，通过整合宏基因组学和代谢组学技术，系统分析了不同外阻条件下植物源MFC的微生物群落演替与代谢通路变化。研究发现Pseudomonas和Shewanella等属与电子传递基因家族显著相关，酪氨酸和嘌呤代谢途径的差异代谢物积累与能量输出效率密切相关，为优化MFC性能提供了分子层面的理论依据。

　　

微生物燃料电池(MFC)作为将有机废物转化为电能的前沿技术，其核心在于电活性菌群通过胞外电子传递(EET)实现能量转换。然而，混合菌群中微生物动态与代谢网络的协同机制始终是制约MFC效率提升的"黑箱"。尤其对于植物源底物的MFC系统，电活性菌群如何响应环境压力、调控代谢通路仍缺乏系统研究。

为解决这一难题，来自海南万泉河热带植物农业有限公司等机构的研究团队在《RSC Advances》发表论文，创新性地采用双组学联用策略，通过设置500Ω和1000Ω两种外阻条件，追踪了Pandanus amaryllifolius Roxb.为底物的四组MFC系统在45天驯化周期内的菌群演替规律与代谢重塑特征。

研究主要采用三大关键技术：1) 双室MFC反应器构建与电化学性能监测（极化曲线、功率密度分析）；2) 阳极生物膜宏基因组测序（Illumina NovaSeq X Plus平台）；3) 非靶向代谢组学分析（UHPLC-Orbitrap MS联用技术）。通过整合电生理参数、基因功能注释和代谢通路富集，揭示了外阻调控下微生物群落的适应性机制。

3.1 电子性能
电压监测显示MFC经历滞后期（0-15天）后进入稳定产电阶段（100小时持续0.4±0.1V）。500Ω外阻组(K1/K3)最大功率密度为69.34-82.16 mW m^?2，而1000Ω组(K2/K4)高达164.33-199.44 mW m^?2，证实高外阻更利于能量转化。pH动态变化（6.46→6.24）与代谢产物积累显著相关。

3.2 微生物阳极群落动态
宏基因组分析揭示群落演替三阶段特征：初期(0-15天)以Escherichia coli和Enterococcus为主；中期(15-30天)Citrobacter和Trichococcus占比达67.4%；后期(30-45天)Proteobacteria和Firmicutes占比超90%，其中Shewanella和Pseudomonas成为优势菌。特别发现Trichococcus可能通过乳酸/乙酸代谢参与电合成共生。

3.3 基因功能分析
KEGG注释显示67.66%基因参与代谢通路，碳水化合物和氨基酸代谢最为活跃。通过筛选7类EET相关基因家族（如ribE编码核黄素合成酶、etfB电子转移黄素蛋白），证实Shewanella的Mtr/CymA系统和Pseudomonas的吩嗪类介导是电子传递的关键分子基础。

3.4 代谢差异分析
从12,954个代谢峰中鉴定出酪氨酸和嘌呤代谢为最显著通路。1000Ω组富集延胡索酸（TCA循环中间体），而500Ω组黄尿酸显著上调。嘌呤代谢中GMP/IMP磷酸化酶活性差异导致黄嘌呤积累，提示能量输出效率与核苷酸代谢重编程密切相关。

讨论与意义
该研究首次阐明植物源MFC中三大协同机制：1) 生物膜(BF)通过EPS基质（含鞭毛蛋白、IV型菌毛）构建三维导电网络；2) 群体感应(QS)和c-di-GMP信号调控菌群空间组织；3) 核黄素介导的MET与c-Cyts主导的DET形成互补电子传递路径。特别是发现酪氨酸代谢产生的延胡索酸可作为电子穿梭体，为设计高效MFC菌剂提供了新靶点。

这项研究通过多组学关联分析，不仅解析了外阻对菌群结构的塑造规律，更建立了代谢物积累与电化学性能的定量关系，为复杂底物MFC的精准调控奠定了理论基础。未来可通过基因工程强化Shewanella的核黄素合成通路，或联合Pseudomonas构建合成菌群，推动MFC技术在废水处理与新能源开发中的实际应用。