有機廢水的生物處理是實現(xiàn)污染物去除和資源回收的可持續(xù)途徑。將廢水中的有機物通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為中鏈脂肪酸（MCFAs），尤其是高價值的己酸（C6），是一條極具前景的資源化路徑。然而，當前工業(yè)規(guī)模的MCFAs發(fā)酵仍面臨生產(chǎn)效率低、電子傳遞效率不足和碳源利用不充分等瓶頸，限制了其經(jīng)濟可行性和大規(guī)模應(yīng)用。
基于此，中國科學(xué)院成都生物研究所研究團隊以乳酸為底物，采用多尺度分析方法，系統(tǒng)研究了石墨烯納米片對厭氧微生物鏈延長過程的影響，旨在揭示石墨烯在生物發(fā)酵系統(tǒng)中的濃度依賴性效應(yīng)及其調(diào)控微生物代謝的分子機制。
研究結(jié)果表明，石墨烯納米材料對微生物代謝表現(xiàn)出顯著的濃度依賴性雙重調(diào)控效應(yīng)。在環(huán)境兼容的低濃度（50mg/L）下，石墨烯通過有利的納米—生物界面相互作用，使微生物生物量顯著增加了4.5倍，并將己酸的日產(chǎn)量提升了42.8%。機制研究發(fā)現(xiàn)，在最佳濃度下，石墨烯既能作為“生物導(dǎo)電支架”促進生物膜的形成，又能充當“電子梭”，增強微生物間的電子傳遞效率，并通過改善微生物代謝提升細胞內(nèi)ATP水平。高濃度（125mg/L）的石墨烯則會破壞微生物群落平衡，干擾生物膜的形成，并將碳流重新導(dǎo)向價值較低的代謝物（如丙酸和甲烷），對己酸合成產(chǎn)生抑制作用。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析進一步揭示，石墨烯通過上調(diào)脂肪酸合成、直接種間電子傳遞（DIET）、群體感應(yīng)和能量代謝等相關(guān)基因，實現(xiàn)了對微生物代謝的重編程。
上述研究結(jié)果挑戰(zhàn)了學(xué)界對石墨烯材料以抗菌性為主的傳統(tǒng)認知，揭示了其在生物相容濃度下作為“代謝調(diào)節(jié)劑”的巨大潛力。本研究深化了對納米—生物界面相互作用及其在可持續(xù)水處理技術(shù)中應(yīng)用的理解，為開發(fā)石墨烯增強的微生物發(fā)酵系統(tǒng)、通過精準調(diào)控納米—生物相互作用來優(yōu)化己酸生產(chǎn)提供了重要的科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果以Concentration-dependent enhancement of caproate production from lactate by graphene nanosheets in chain elongation systems為題，發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》（Chemical Engineering Journal）上。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、四川省科技廳、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會和中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃等的支持。
論文鏈接
石墨烯調(diào)控乳酸代謝流向及對羧酸產(chǎn)物的影響
石墨烯誘導(dǎo)的微生物群落演變及關(guān)鍵代謝通路轉(zhuǎn)錄組調(diào)控機制
本文鏈接：研究揭示己酸合成中石墨烯的雙重角色http://m.sq15.cn/show-12-2066-0.html
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