Nature Commun | 大连理工大学张耀斌团队揭示蒽醌-血红素π-π作用促产甲烷

厌氧消化这套工艺里，有机物要转化成甲烷，离不开产电菌和产甲烷古菌之间的电子往来。电子从前者身上跑出来，却常常被产甲烷菌表面那层几十上百纳米厚的胞外聚合物（EPS）给拦住，因为这层东西导电性实在不怎么样。以往人们往体系里加一些醌类导电材料，确实能拉高甲烷产量，但材料表面的醌基究竟用了什么办法，把电子硬生生塞进这层不导电的“泥巴墙”里头，学界一直没能给出明确的解释。2026年9月1日，大连理工大学环境学院张耀斌教授团队在《Nature Communications》线上发表了题为“Quinone-heme π-π interactions bridge the biotic-abiotic interface for enhanced methanogenesis”的论文。团队拿巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）当研究对象，在微生物电解池里把还原态的蒽醌分子固定到电极表面，再跟菌搭成一个复合阴极，他们发现还原蒽醌的富电子π体系和血红素铁卟啉环的缺电子结构之间存在天然的电子互补关系，这种互补关系诱导两者发生了π-π堆叠。

碳毡电极本身表面光滑，蒽醌-2-羧酸（AQC）不容易挂上去。研究团队先用多巴胺在碳毡上包了一层聚多巴胺作为桥梁，再把AQC通过酰胺反应共价接枝到电极表面，最后给电极施加一个-0.8V的还原电位，让AQC变成还原态的H₂AQC。电化学阻抗谱测出来的数据很能说明问题，H₂AQC修饰的那个界面电荷转移电阻只有34.3欧姆，氧化态AQC的对照组是225欧姆，啥都没修饰的裸碳毡更是高达312欧姆。循环伏安扫出来的曲线也很有意思，还原态的体系出现了一对不对称的峰，还原峰电流往上蹿了一大截，可对应的氧化峰几乎消失不见了，这恰恰是表面结合的H₂AQC把电子顺利交出去的典型特征。扫描电化学显微镜把探测针尖靠近生物-非生物界面的时候，H₂AQC那个组别底下冒出了局部的高电流斑块，峰值能到14.8纳安，另外两个对照组分别只有3.8纳安和2.1纳安。

研究团队把这些生物阴极上面的EPS提取出来做了详细比对。蛋白质含量的测定结果显示三组之间并没有太大差别，但三维荧光光谱照出来就完全不是那么回事了，H₂AQC那一组里芳香族蛋白类物质的荧光强度掉得厉害，另外两组却高得多。研究员们判断这很可能是EPS里存在血红素分子，因为血红素这个大共轭体系会通过电子转移把芳香族氨基酸的荧光给淬灭掉。紫外-可见吸收光谱证实了这个猜测，只有在H₂AQC组的EPS样品里能看到一个尖锐的Soret带，峰值在409纳米，这正是三价铁血红素单体的标志，对照组在这个位置只有一片很弱的宽峰。吡啶血红素色原实验做下来，556纳米和524纳米处冒出了典型的α/β双带，把牛心细胞色素c拿来做平行对照，人家血红素c的标准峰在550和520纳米，两相对照就知道EPS里存的是血红素b。电子顺磁共振在g=3.04处给出了低自旋三价铁的信号，用连二亚硫酸钠一还原这个信号就没了，说明这个血红素中心确实有电化学活性。

为了看清楚蒽醌和血红素之间到底怎么发生作用，团队搭了一个仿生模型，用电沉积的办法把四苯基卟啉铁（FeTCCP）铺到H₂AQC修饰的电极上。拉曼光谱显示H₂AQC存在的时候Fe(III)TCCP的一部分被还原成了Fe(II)TCCP，两者的特征峰强度此消彼长，电子确实从蒽醌这一头流向了卟啉铁那一头。X射线光电子能谱也给出了佐证，电沉积样品里在290.30电子伏特的位置多出来一个卫星峰，物理混合的对照样品里面压根就找不到这个峰，这个峰就是π-π堆叠作用的直接证据。密度泛函理论计算把电子流动的路径看得更清楚了，H₂AQC和FeTCCP靠在一起的时候，电荷密度差图上一片黄一片青，H₂AQC那边电子密度降低，FeTCCP那边电子密度升高，净转移了0.158个电子，裸碳毡跟FeTCCP之间只挪了0.022个电子。反过来把氧化态的AQC跟FeTCCP放在一起计算，电子跑的方向正好倒过来，从卟啉铁流向蒽醌，这就把还原态蒽醌作为电子供体的特殊角色给坐实了。转录组分析进一步表明H₂AQC组的电子传递基因hdrD和hdrE表达水平明显上调，下游产甲烷酶系基因也跟着活跃起来，ATP含量攀升到对照组的3.71倍。

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