颗粒活性炭通过宏基因组与宏蛋白质组学揭示其增强厌氧反应器微生物活性的多效机制

为解决厌氧消化(AD)系统中微生物代谢效率低和电子传递受限的问题，研究人员通过宏基因组和宏蛋白质组学技术，揭示了颗粒活性炭(GAC)不仅促进种间直接电子传递(DIET)，还能刺激悬浮微生物合成关键功能蛋白(如甲基辅酶M还原酶)和辅因子(如CobS/CobT)，使COD去除率提升至92.1±5.0%，甲烷产率提高至70.3±8.2%，为优化生物能源系统提供新策略。

　　

在追求碳中和的背景下，厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD)技术因其能将有机废弃物转化为甲烷等可再生能源而备受关注。然而，这一过程常面临微生物代谢效率低、电子传递瓶颈等挑战，尤其是难降解有机物(如丙酸盐)的转化效率直接影响系统稳定性。传统研究认为颗粒活性炭(Granular Activated Carbon, GAC)主要通过促进种间直接电子传递(Direct Interspecies Electron Transfer, DIET)提升AD性能，但对其如何影响非附着微生物的代谢活动知之甚少。

为深入探究GAC的多重作用机制，国内某研究团队在《Biochemical Engineering Journal》发表了一项结合宏基因组学和宏蛋白质组学的研究。该团队设计了两组上流式厌氧污泥床(Up-flow Anaerobic Sludge Blanket, UASB)反应器，分别处理富含丙酸盐的合成废水，其中一组添加GAC作为实验组。通过150天的运行监测，结合批次实验、微生物群落分析和蛋白质组学技术，系统解析了GAC对微生物功能的影响。

关键技术方法
研究采用实验室规模UASB反应器（2.3 L工作体积），在37°C下运行150天，对比GAC添加组（55 g，占体积6%）与对照组的性能差异。通过16S rRNA基因测序（Illumina NovaSeq PE150平台）和鸟枪法宏基因组测序分析微生物群落，利用Kraken2和Bracken进行物种注释。蛋白质组学采用SDS-PAGE分离和Orbitrap Exploris 480质谱分析，重点检测与能量代谢和辅因子合成相关的蛋白表达。批次实验通过离心/过滤处理反应器出水，验证可溶性生物活性物质的作用。

研究结果

3.1 反应器性能
GAC添加使COD去除率从81.0±2.1%提升至92.1±5.0%，甲烷产率从55.4±5.2%增至70.3±8.2%。初期对照组表现更优，表明GAC的刺激效应需微生物适应期，后期DIET主导的电子传递显著提升系统稳定性。

3.2 批次活性测试
离心和过滤实验均显示GAC组出水可刺激甲烷生成（p<0.05），证实其释放了氨基酸（如酪氨酸）和维生素等微生物胞外分泌物(Microbial Extracellular Secretions, MESs)，可能通过参与辅因子F₄₂₀合成增强产甲烷活性。

3.3 微生物群落特征
GAC组古菌群落中氢营养型菌属（如未培养甲烷杆菌属31.4%）丰度显著增加，而对照组以乙酸裂解型甲烷丝菌属(54.1%)为主。细菌群落中，互营丙酸氧化菌（如 Syntrophobacter fumaroxidans）与氢营养型产甲烷菌的协同作用增强，形成更高效的代谢网络。

3.4 功能基因与通路
KEGG分析显示GAC组富集辅因子（如钴胺素）合成基因（CobS/CobT表达量提升63-65%）和脂代谢通路，表明GAC促进微生物合成关键辅酶和细胞膜组分，支持生物膜稳定性和电子传递链功能。

3.6 蛋白质表达谱
GAC组显著上调产甲烷相关蛋白（如F₄₂₀依赖酶和甲基辅酶M还原酶）及能量代谢蛋白（ATP合成酶），同时甲酸脱氢酶表达降低，暗示GAC可能使电子传递从甲酸介导转向DIET主导模式。

结论与意义
该研究突破性地揭示了GAC通过“DIET优化+代谢刺激”双途径增强AD性能的机制：一方面作为电子桥梁促进微生物种间协作，另一方面诱导微生物合成功能性蛋白（如MCR）和辅因子（如维生素B₁₂），从而提升系统稳定性和能源回收效率。这一发现为设计基于导电材料的智能厌氧反应器提供了理论依据，对推动废弃物资源化和低碳能源生产具有重要实践价值。未来研究可进一步探索GAC物化特性（如孔径、表面官能团）与微生物代谢的构效关系，以优化其在全规模AD系统中的应用。