Electricity from anaerobic methane oxidation by a single methanogenic archaeon Methanosarcina barkeri
Electricity from anaerobic methane oxidation by a single methanogenic archaeon Methanosarcina barkeri
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单一产甲烷古菌 Methanosarcina barkeri 通过厌氧甲烷氧化产生电力
DOI：
10.1016/j.cej.2020.126691
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发表时间：
2021-02
影响因子：
15.1
通讯作者：
Shungui Zhou
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Linpeng Yu;Dan He;Eryi Zhang;Qiuxiang He;Jibing Li;Zhiyong Jason Ren;Shungui Zhou
甲烷厌氧氧化(AOM)与电子向电极的转移相结合，在微生物电化学反应器的能量收集方面显示出巨大的潜力。到目前为止，这一过程仅限于古生菌和细菌在混合培养中的共养合作。目前尚不清楚单纯的古生菌是否能催化甲烷发电。在这里，我们报告了一株产甲烷的巴氏甲烷单胞菌在AOM驱动下的发电性能。在+300mV与SHE的稳定电极电位下，甲烷产生的最大电流为649.7 mA/m−2，库仑效率高达86.9%。电化学反应机理分析表明，这是一种新型的电致发光材料。Barkeridon直接将大部分电子转移到电极上，并分泌可溶性的氧化还原活性化合物，促进间接细胞外电子转移(EET)。电化学、傅里叶变换红外光谱和代谢抑制表明甲基辅酶M还原酶α亚基、NiFe氢酶和细胞色素蛋白参与了AOM-EET过程。这项工作首次证明了单个古生物通过反向甲烷化作用产生AOM电力的概念，并表明甲烷菌在自然环境中AOM与固体电子受体还原的偶联过程中可能起着重要作用。
Anaerobic oxidation of methane (AOM) coupled with electron transfer to electrodes has recently showed great promise for energy harvesting in microbial electrochemical reactors. To date this process has been reported limited to the syntrophic cooperation of archaea and bacteria in mixed cultures. It remains unknown whether pure archaea alone can catalyze electricity production from methane. Here we report the performance of AOM-driven electricity generation by a single methanogenMethanosarcina barkeri. At a poised electrode potential of +300 mV vs. SHE, a maximum current of 649.7 mA m−2was achieved from methane with an appreciable Coulombic efficiency up to 86.9%. The electrogenic mechanism analysis demonstrated thatM. barkeridonated most of electrons to electrodes directly and secreted soluble redox-active compounds to facilitate indirect extracellular electron transfer (EET). Electrochemicalin situFourier transform infrared spectra and metabolic inhibitions suggested the methyl-coenzyme M reductase α-subunit (McrA), NiFe hydrogenases and cytochrome proteins were involved in the AOM-EET process. This work provides the first proof of concept for AOM-powered electricity production by a single archaeon via reversed methanogenesis and suggests methanogens may play an important role in coupling AOM with the reduction of solid electron acceptors in natural environments.
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