Light-Independent Fe3O4–Methanosarcina acetivorans Biohybrid Enhances Nitrogen Fixation and Methanogenesis

化学 固氮酶 产甲烷 固氮 氮气 生物物理学 纳米技术 甲烷 有机化学 生物 材料科学
作者
Xiao-Yu Liu,Jing-Ya Ma,Meiyan Liu,Jian-Lu Duan,Yue Wang,Xiaodong Sun,Chengcheng Ding,Li-Juan Feng,Zhen Yan,Xian-Zheng Yuan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (9): 7694-7702
标识
DOI:10.1021/jacs.4c17259
摘要

Biohybrid systems that integrate microorganisms with nanomaterials have emerged as promising solutions for sustainable nitrogen fixation. However, key challenges, such as the dependence on light and the vulnerability of nitrogenase to oxidative damage, have limited their application. Here, we report a novel, light-independent biohybrid system integrating Fe3O4 nanoparticles with Methanosarcina acetivorans C2A, resulting in a significant enhancement of both nitrogen fixation activity and methane production. Fe3O4 nanoparticles facilitate directional electron transfer, thereby enhancing methanogenesis and nitrogenase function. Furthermore, the biohybrid system enhances adenosine triphosphate (ATP) synthesis through improved electron flow along membrane-bound electron chains, further supporting nitrogenase activity. Our findings provide a new strategy for advancing nitrogen fixation in archaea, offering an efficient and sustainable approach for biological nitrogen fixation without reliance on solar energy.
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