《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Acidic-Site-Mediated Interfacial Interactions Promote Methanogen Adhesion and Biofilm Formation on Conductive Carriers for Anaerobic Digestion
编辑推荐：
•M. barkeri 在典型导电基底上的附着机制得到了揭示。•与其他基底相比，活性炭使 M. barkeri 的附着能力提高了 2.3-6.3 倍。•xDLVO 和 DFT 表明 Lewis 酸碱相互作用（约 -15 kcal/mol）驱动了附着过程。•富集表面羧基使细胞附
- •
M. barkeri 在典型导电基底上的附着机制得到了揭示。
- •
与其他基底相比，活性炭使 M. barkeri 的附着能力提高了 2.3-6.3 倍。
- •
xDLVO 和 DFT 表明 Lewis 酸碱相互作用（约 -15 kcal/mol）驱动了附着过程。
- •
富集表面羧基使细胞附着增加了 116.8%。
- •
优异的初始附着促进了抗水力剪切能力的稳健生物膜的形成。
引言
全球对碳中和的追求从根本上重塑了废水处理的范式，使其从废物处置负担转变为可再生能源回收的基石 [1]。传统废水处理过程越来越被认为不可持续，受到其高能源足迹以及易腐有机成分若处理不当易引发严重二次环境污染物的制约 [2]，[3]。然而，废水代表了生物炼厂丰富且低成本的原料，这得益于其富含以蛋白质、多糖和纤维素形式存在的有机碳储备 [4]。在这种情况下，厌氧消化 (AD) 作为一种温和且可持续的生物技术平台脱颖而出，因其能够从各种废物成分中回收能源和资源而受到广泛关注 [5]。
尽管具有潜力，但在高有机负荷率 (OLR) 和低水力停留时间 (HRT) 下最大化 AD 效率通常受限于微生物生物量流失 [6]，[7]。为解决这一问题，引入生物膜形成基底以固定浮游微生物已被证明能有效抵抗水力剪切并保持稳定的消化性能 [8]。此外，用作基底的导电材料被发现通过促进种间直接电子传递 (DIET) (图 S1) 来增强互养相互作用并进一步改善 AD 性能 [9]，[10]。在该策略提出以来的当前十年中，许多近期研究调查了添加各种导电材料（例如，磁铁矿 [11]，[12]，[13]，活性炭 [14]，[15]，生物炭 [16]，[17]，[18]，石墨 [19]，[20]，碳布 [21]，[22]），在缩短产甲烷延迟期、增加产气速率和产量以及增强系统韧性方面取得了积极成果。对过去五年 413 篇相关 publications 的调查识别出磁铁矿、活性炭、生物炭和石墨为四种最突出的导电基底 (图 S2) (补充材料 2)。尽管导电材料已被反复证明能促进 DIET 并改善 AD 性能 [23]，[24]，但它们在 AD 中作为生物膜载体的使用很大程度上是由定性宏观描述符指导的，包括电导率、生物相容性和比表面积，而不是基于对微生物 - 材料界面的分子水平理解 [25]。特别是，导电载体的表面化学特性如何控制微生物附着和随后的生物膜形成仍然理解不足，尽管这些过程是成功建立 DIET 的前提条件 [26]。
在本研究中，典型的参与 DIET 的电子接受型产甲烷菌 巴氏甲烷八叠球菌 (Methanosarcina barkeri) 被选为模式微生物。本研究系统调查了其与文献调查中确定的四种最突出导电基底：活性炭、生物炭、磁铁矿和石墨的相互作用。研究追踪了生物膜发展的整个进程，包括初始细胞附着、长期定殖和胞外聚合物 (EPS) 的分泌特性。此外，通过结合扩展 DLVO (xDLVO) 理论与材料表面改性，我们全面阐明了控制这些附着的官能团特异性界面相互作用能。本研究评估了主流导电载体以优化 巴氏甲烷八叠球菌 的定殖界面。我们证明表面酸性位点的密度驱动初始附着，从而促进成熟、抗剪切的生物膜。这种界面机制通过双向表面改性（减少 57.6% 和增强 116.8%）和分子建模得到验证，揭示了基底羧基与细胞甲烷软骨素之间存在强吸引相互作用（约 -15 kcal/mol），后者是一种存在于某些产甲烷菌保护性外层基质和细胞包膜中的刚性杂多糖聚合物。尽管本研究重点关注 M. barkeri，但它是 DIET 相关群落中的代表性产甲烷菌。先前的研究通常将与增强电子传递后反应器性能改善联系起来归因于甲烷八叠球菌属 (Methanosarcina spp.) 的富集，支持使用 M. barkeri 作为模式生物 [15]，[27]。因此，我们的发现为调查其他与 DIET 相关的微生物的附着机制和设计功能性生物膜载体提供了基础。
而不是评估单一导电材料是否改善厌氧消化性能，本研究系统比较了 M. barkeri 在四种广泛使用的导电载体上的初始附着和随后的生物膜形成。我们将附着行为与表面酸性位点化学联系起来。双向表面改性进一步支持了酸性位点在调节附着中的作用。通过将这些观察从静态测定扩展到流动细胞培养，这项工作将早期定殖与流体力学剪切下成熟生物膜的发展联系起来。据我们所知，本研究首次从细胞附着和生物膜形成的角度对 AD 中的导电载体进行了系统评估。通过桥接微观表面化学与宏观反应器性能，这些见解为设计优化载体和高效生物膜反应器建立了理论基础和合理指南。
章节摘要
菌株与材料
古菌菌株 M. barkeri DSM 800 获得自德国微生物和细胞培养物保藏中心 (DSMZ, 德国不伦瑞克)。通过将从母培养物中接种 10% (v/v) 接种物转移到 100 mL 血清瓶中的 40 mL 改良 DSM 120a 培养基中 (表 S1) 来维持种子培养物。在添加培养基之前，用 100% 氮气 (N2) 吹扫瓶子 30 分钟，用丁基橡胶塞密封，并进行高压灭菌。在接种前，甲醇、NaHCO3、Wolin 氏
M. barkeri 在导电材料上的附着与生物膜形成
在进行细胞附着测定之前，评估了四种导电材料的内在生物相容性。这些基底的粉末形式与 M. barkeri 悬浮共培养以监测潜在的抑制作用。结果表明，掺入这些材料对代谢活性和生物量积累的影响可忽略不计，这由产甲烷速率和蛋白质浓度证明 (图 S5 和 S6)。与
结论
虽然许多导电材料已被广泛应用以刺激 AD 中的 DIET 途径，但本研究开创性地系统评估了关键产甲烷菌 M. barkeri 在四种代表性导电基底上的附着和生物膜形成特性，主要侧重于阐明核心控制因素并提出定制优化策略。除了证明活性炭的优异附着性之外，本研究提供了一种界面设计
CRediT 作者贡献声明
Qiang Liao: 监督，方法学。 Jingmiao Zhang: 可视化，方法学。 Yun Huang: 软件，形式分析。 Xianqing Zhu: 写作 – 审阅与编辑。 Xun Zhu: 资源，项目管理。 Huize Chen: 写作 – 原稿，验证，软件，方法学，调查。 Cheng Chen: 写作 – 原稿，软件，方法学。 Ao Xia: 写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。 Vinod Kumar: 写作 – 审阅与编辑，方法学。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响了本论文中报告的工作
致谢
本工作得到了国家重点研发计划 (编号 2024YFF0508800)、国家自然科学基金 (编号 52022015)、重庆市自然科学基金 (编号 CSTB2023NSCQ-JQX0005) 和中央高校基本科研业务费 (编号 2024IAIS-ZD003) 的支持。
Huize Chen|Cheng Chen|Ao Xia|Vinod Kumar|Jingmiao Zhang|Yun Huang|Xianqing Zhu|Xun Zhu|Qiang Liao
