醌-血红素 π-π 相互作用在生物与非生物界面之间架起桥梁，从而促进甲烷生成过程

《Nature Communications》：Quinone-heme π-π interactions bridge the biotic-abiotic interface for enhanced methanogenesis

　　

摘要

基于醌的导电材料在厌氧消化过程中促进细胞外电子转移和甲烷生成，这些材料起到了将外源电子供体产生的电子传递给以电子为能源的甲烷生成菌的作用。然而，醌与以电子为能源的甲烷生成菌之间的电子转移机制在生物与非生物界面处仍然尚未明确。在这项研究中，我们在微生物电解池中建立了还原型蒽醌与Methanosarcina barkeri之间的界面。通过仿生实验和对分离出的细胞外聚合物物质的表征，发现还原型蒽醌的电子供体π体系与血红素中的铁卟啉环（可能通过细胞裂解释放并保留在细胞外聚合物物质中）之间存在电子互补性。这种互补性可能促进了π-π相互作用，从而保持了具有氧化还原活性的血红素并促进了电子转移，表现为界面电阻降低（从225 Ω降至34.3 Ω），以及阴极甲烷生成效率提高了10.6倍。本研究为醌在生物与非生物界面处的电子转移机制提供了新的见解，并为生物电化学系统的电极材料设计提供了依据。