Quorum Sensing Enhances Direct Interspecies Electron Transfer in Anaerobic Methane Production

产甲烷 群体感应 甲烷菌 甲烷 地杆菌 微生物学 化学 环境化学 生物化学 食品科学 生物 生态学 细菌 生物膜 基因 毒力 遗传学
作者
Shunan Zhao,Shaoqing Zhu,Suo Liu,Ge Song,Jing Zhao,Ruiping Liu,Huijuan Liu,Jiuhui Qu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (6): 2891-2901 被引量:63
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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