Enhancing proton-coupled electron transfer drives efficient methanogenesis in anaerobic digestion

产甲烷 厌氧消化 电子传输链 质子 电子转移 化学 质子耦合电子转移 化学渗透 电子 电子受体 化学物理 生物物理学 甲烷 物理 生物化学 ATP合酶 光化学 生物 核物理学 有机化学
作者
Haoyu Liu,Ying Xu,Lei Li,Xinyu Li,Xiaohu Dai
出处
期刊:Water Research [Elsevier]
卷期号:266: 122331-122331
标识
DOI:10.1016/j.watres.2024.122331
摘要

The enhancement of electron or proton transfer between syntrophic microbes has been widely recognised as a means for improving methane generation. However, the uncoupled supplementation of electrons and protons in multiphase anaerobic environment hinders the balanced uptake of electrons and protons in the cytoplasm of methanogens, limiting methanogenesis efficiency. Herein, the cooperative effect of a proton-conductive material (PM) and an electron-conductive material (EM) in enhancing proton-coupled electron transfer (PCET) and driving efficient methanogenesis in anaerobic digestion was investigated. The cooperation of the PM and EM significantly increased methane production and the maximum methane generation rate by 78.9 % and 103.5 %, respectively, indicating enhanced methanogenesis efficiency. Analysis of the physicochemical properties, biochemical components, and microbial dynamics revealed that the cooperation of the PM and EM improved the metabolism of syntrophic microbes, which was critically dependent on electron and proton transfer. This enhancement was primarily due to the improvement in PCET, as mainly supported by hydrogen/deuterium kinetic isotope effect measurements, multi-omics integration analyses and reaction thermodynamics and kinetics analyses. Our findings suggest that the PCET enhancement stimulated efficient membrane-bound enzymatic reactions related to electron-driven proton translocation and facilitated electron and proton supply for CO
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