近日，太阳成集团tyc539郑越副教授等在温室气体生物增汇领域取得新进展，相关成果以 Electrochemically coupled CH4 and CO2 consumption driven by microbial processes 为题，发表在全球知名刊物 Nature Communications 上。
一. 研究背景
甲烷和二氧化碳作为两大温室气体，合计占所有温室气体总辐射强迫的90%以上。碳在甲烷和二氧化碳中的价态分别为-4和+4，代表了碳的最低价态和最高价态。甲烷中C-H键的能量为413 kJ/mol，而二氧化碳中C=O键的能量为799 kJ/mol，两种气体的催化反应都需要大量的能量输入，同时实现甲烷氧化和二氧化碳还原的催化反应则更为困难，物理化学方法通常需要高温（超700 ℃）或高压（超30 kPa）环境。虽然，微生物在常温常压下可以表现出更高的催化性能，但是甲烷氧化菌和二氧化碳还原菌仅能单独实现甲烷和二氧化碳的代谢，无法在一个生化体系内同时实现甲烷氧化和二氧化碳还原。如何打破微生物的代谢能量屏障，在常温常压下耦合甲烷氧化和二氧化碳还原是实现温室气体减排的理想方案。
二. 研究结果
该工作基于微生物电子流研究，利用铁矿物作为电子中介体，打破了甲烷氧化菌群和二氧化碳还原菌群的电子传递屏障。通过矿物中铁价态的氧化还原转换，原位构建了“微生物地质电池”，基于充电过程（三价铁→二价铁）驱动甲烷氧化过程，基于放电过程（二价铁→三价铁）驱动二氧化碳还原过程。铁矿物耦合甲烷氧化过程和二氧化碳还原过程，可提升82.8%的甲烷消耗和79.5%的二氧化碳消耗，16.7%的温室气体碳被固定到生物质，温室效应增温潜能减少47.2%。基于光暗的条件转换，铁矿物的地质电池表现出良好的充放电的可周转性，在黑暗条件下铁矿物被氧化后可以被完全还原为二价铁矿物，随后光照条件下二价铁矿物再次被充分氧化为三价铁矿物。铁矿物良好的周期性可以减少甲烷氧化过程中外源电子受体的输入和二氧化碳还原过程中外源电子供体的输入，构建形成一个可周转的自循环温室气体减排体系。
基于铁矿物的微生物地质电池实现温室气体（甲烷和二氧化碳）协同减排
全球平均气温较工业革命前已升高1.1℃，一旦升温突破2℃的安全阈值，海洋、极地等关键生态系统将面临不可逆转的损害。面对全球气候变化引发的生态风险，人们正在开发各种人工碳封存技术，以期最大限度地减少两大温室气体（甲烷和二氧化碳）的排放。然而，自然生态系统是甲烷和二氧化碳的最大碳汇且尚存巨大储碳潜力，充分挖掘自然生态系统碳汇潜力是海岸带可持续发展的必经之路。该工作证明了在两种不同的环境下（光和暗），铁矿物加速了微生物种间电子流过程，实现了甲烷氧化和二氧化碳还原的耦合，可显著减少温室气体的释放。从理论研究上，打破了单一微生物无法实现的环境学功能，基于多元体系的耦合为微生物功能强化提供了一种新思路。从应用研究上，该研究构建了一种新的温室气体转化方式。利用自然界的天然矿物元素强化自然生态过程，是一种非常具有可应用潜力的生态增汇策略，为温室气体减排提供了新视角。
三. 研究团队及资助
该论文第一作者为太阳成集团tyc539郑越副教授，共同第一作者为太阳成集团tyc539博士生汪欢，通讯作者为中国科学院城市环境研究所赵峰研究员和普林斯顿大学任智勇教授，共同作者包括中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员、刘延、刘沛余博士，中国科学院亚热带研究所朱宝利研究员，中国科学院微生物研究所郑艳宁研究员，华盛顿大学Ludmila Chistoserdova博士。该研究获得国家自然科学基金和太阳成集团tyc539南强青年拔尖人才支持计划（B类）等资助。
论文来源：Yue Zheng, Huan Wang, Yan Liu, Peiyu Liu, Baoli Zhu, Yanning Zheng, Jinhua Li, Ludmila Chistoserdova, Zhiyong Jason Ren & Feng Zhao. Electrochemically coupled CH4 and CO2 consumption driven by microbial processes. Nature Communications 15, 3097 (2024).
文、图 | 郑越
责任编辑 | 郑越
排版 | 吴晓倩
