Stepwise utilization of H2 between Geobacter sulfurreducens and Methanosarcina barkeri promoted CO2-to-CH4 conversion
通过建立一种由地杆菌（*Geobacter sulfurreducens*）与巴氏甲烷八叠球菌（*Methanosarcina barkeri*）组成的共生合成培养体系，通过逐步利用氢气、上调代谢途径以及由类富里酸物质介导的种间电子传递来克服传质限制，从而显著提高二氧化碳向甲烷的转化速率。
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在追求清洁能源未来的征途中，科学家们正在寻找将废弃二氧化碳转化为有用燃料的方法。一种极具前景的方法涉及一种被称为“生物甲烷化”的过程，其中微小的生物充当了生物工厂。它们将温室气体二氧化碳与氢气结合，生成天然气的主要成分——甲烷。这种方法之所以具有吸引力，是因为氢气可以利用风能或太阳能产生的过剩电力制造，从而有效地将可再生能源以可以燃烧或注入现有管道的气体形式储存起来。然而，这一过程中存在一个显著的瓶颈。氢气不易溶于水，而进行工作的微生物则生活在液体环境中。由于气体难以从气泡移动到微生物可以摄取的液体中，整个反应往往移动得太慢，以至于在规模化应用中并不实用。
为了解决这个问题，浙江大学的研究人员调查了一种由两种不同类型的微观生命组成的伙伴关系：一种被称为硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）的细菌和一种被称为巴克甲烷菌（Methanosarcina barkeri）的古菌。虽然巴克甲烷菌是已知的产甲烷生物，通常直接“食用”氢气，但科学家们想知道，加入硫还原地杆菌是否能帮助加速这一过程。这种细菌以其移动电子的能力而闻名，本质上扮演着“生物导线”的角色。研究团队旨在观察这两种生物是否可以协同工作，绕过气体溶解入液体的缓慢步骤，从而为将二氧化碳转化为甲烷创造一条捷径。
研究人员将这两种生物混合在装有营养培养液的密封容器中，然后向液体中通入氢气和二氧化碳的混合气体。他们将这种混合培养物与仅含有产甲烷古菌的对照组进行了比较。结果令人瞩目。混合培养物消耗氢气的速度要快得多，仅用四天就耗尽了相同数量的氢气，而单独使用古菌则需要八天。这种速度的提升直接转化为了甲烷的产量。混合培养物的产甲烷速率达到了每天每毫升原料氢气产生0.158毫升，比单独工作的古菌快了三倍多。此外，混合培养物开始产生气体的速度更快，并比单物种组提前了近半天达到峰值速度。
为了理解这种伙伴关系是如何运作的，团队仔细观察了细胞及其释放的化学物质。通过高倍显微镜，他们看到两种细胞紧密地生活在一起，暗示着存在一种紧密的物理连接。他们还分析了被称为“胞外聚合物”的粘性物质，这些物质是微生物为了自我保护和交流而分泌的。在混合培养物中，这些物质含有更高水平的特定化合物，这些化合物起到了电子穿梭机的作用。这些化合物类似于土壤中发现的天然有机物，可以从一种生物中获取电子并将其传递给另一种生物。这一发现表明，这些细菌不仅仅是坐在一起，它们还在通过这些化学桥梁积极地交换电子，使得古菌无需等待氢气缓慢溶解在水中，就能获得制造甲烷所需的能量。
通过进一步深入研究，科学家们检查了细胞内部的蛋白质，以观察哪些遗传开关被开启或关闭。在古菌中，负责制造甲烷最后一步的蛋白质工作得比平时更努力；与此同时，通常直接摄取氢气的机制却没那么活跃了。这表明，古菌并非仅仅依赖于自身摄取氢气的能力，而是通过化学桥梁从细菌那里接收电子。反过来，细菌则利用其专门的食氢酶来分解氢气，并将由此产生的电子传递下去。这种分工协作创造了一个更高效的系统：细菌处理抓取气体的困难任务，而古菌则专注于将能量转化为甲烷。
研究结论指出，这种生物协作提供了一种可持续的方法，用以克服气体在水中溶解的物理限制。通过让细菌充当桥梁，直接向产甲烷生物输送电子，该过程变得显著更快且更高效。尽管研究人员指出，他们仍需进一步了解古菌究竟是如何接收这些电子的，但证据清楚地表明，这种共培养法提升了产甲烷的速度。这种方法最终可能有助于使可再生天然气成为储存清洁能源和减少碳排放的一种更可行的选择，将一个缓慢且困难的化学反应转变为一个快速的生物过程。
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