Quorum Sensing Enhances Direct Interspecies Electron Transfer in Anaerobic Methane Production

群体感应 甲烷 电子转移 化学 生产(经济) 环境科学 环境化学 生化工程 生物 生态学 细菌 光化学 生物膜 工程类 宏观经济学 经济 遗传学
作者
Shunan Zhao,Shengli Zhu,Suo Liu,Guangtao Song,Jing Zhao,Ruiping Liu,Huijuan Liu,Jiuhui Qu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c08503
摘要

Direct interspecies electron transfer (DIET) provides an innovative way to achieve efficient methanogenesis, and this study proposes a new approach to upregulate the DIET pathway by enhancing quorum sensing (QS). Based on long-term reactor performance, QS enhancement achieved more vigorous methanogenesis with 98.7% COD removal efficiency. In the control system, methanogenesis failure occurred at the accumulated acetate of 7420 mg of COD/L and lowered pH of 6.04, and a much lower COD removal of 41.9% was observed. The more significant DIET in QS-enhancing system was supported by higher expression of conductive pili and the c-Cyts cytochrome secretion-related genes, resulting in 12.7- and 10.3-fold improvements. Moreover, QS enhancement also improved the energy production capability, with the increase of F-type and V/A-type ATPase expression by 6.3- and 4.2-fold, and this effect probably provided more energy for nanowires and c-Cyts cytochrome secretion. From the perspective of community structure, QS enhancement increased the abundance of Methanosaeta and Geobacter from 54.3 and 17.6% in the control to 63.0 and 33.8%, respectively. Furthermore, the expression of genes involved in carbon dioxide reduction and alcohol dehydrogenation increased by 0.6- and 7.1-fold, respectively. Taken together, this study indicates the positive effects of QS chemicals to stimulate DIET and advances the understanding of the DIET methanogenesis involved in environments such as anaerobic digesters and sediments.
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