综述：通过直接种间电子转移调控甲烷生成的功能基因与微生物相互作用：功能机制及新兴概念

《Bioresource Technology》：Functional genes and microbial interactions governing methanogenesis via direct interspecies electron transfer: Functions and emerging concepts

DIET通过直接电子传递提升甲烷产率，研究聚焦功能基因（如pilA、omcS）及多组学方法解析其机制与微生物互作，指出实际应用中因条件复杂性和基因调控不明朗导致的研究局限。

　　

Parthiban Anburajan|Sang-Hoon Lee|Dick Dick Maulana|Hee-Deung Park

韩国大学土木、环境与建筑工程学院，首尔02841，韩国

摘要

直接种间电子转移（DIET）作为一种电子交换机制，在厌氧消化（AD）系统中显著提高了甲烷产量。尽管在2010年代初就已经提出了共生微生物群落中直接电子交换的概念，但通过DIET实现甲烷生成的实验验证和系统认可主要是在过去十年中取得的。在识别具有DIET活性的微生物联合体方面已经取得了显著进展；然而，控制这些过程的功能基因和代谢途径仍不清楚。多组学方法（包括宏基因组学、宏转录组学和蛋白质组学）的最新进展为了解AD系统中电子转移背后的微生物群落组织和基因水平功能提供了更深入的见解。本综述综合了目前关于直接介导DIET的功能基因（例如A、omcS）以及间接支持DIET的基因（包括氢化酶、胞外聚合物物质（EPS）相关基因和与甲烷生成相关的酶）的知识。理解这些功能基因对于优化AD过程和推进生物能源生产至关重要。

引言

在厌氧消化（AD）过程中，微生物通过发酵有机物产生沼气，主要是甲烷，这是一种成本效益高且可扩展的生物能源（Orellana等人，2025年）。这一过程通过一系列氧化还原反应进行，不同微生物群体之间的电子转移在推动每个阶段中起着核心作用（Zhang等人，2024a）。随着AD研究的深入，人们开始关注微生物联合体之间的复杂相互作用及其在高效甲烷生产中的功能作用（Giangeri等人，2025年）。在AD生物反应器中，复杂的有机物被降解为挥发性脂肪酸（VFAs），如乙酸、丁酸和丙酸，同时产生二氧化碳（CO₂）、氢气（H₂）和甲酸（Nikitina等人，2022年；Pan等人，2021年；Xu等人，2024年）。在AD过程中，H₂和甲酸主要作为电子载体，将电子传递给产甲烷菌，并用于将CO₂还原为甲烷（CH₄）（Su等人，2023年）。

作为一种替代的电子转移策略，DIET概念作为一种无需可溶性电子载体的高效机制应运而生。关于共生微生物群落中直接电子交换的概念在2010年之前就已经被讨论过；然而，DIET作为一种独立的甲烷生成机制的系统实验验证和正式认可主要是在2010年代初才出现的（Summers等人，2010年）。从那时起，DIET机制作为传统氢气和甲酸介导的甲烷生成方法的一种更高效替代方案受到了广泛关注（Feng等人，2023年；Giangeri等人，2025年；Kang等人，2021年；Lovley，2025年）。DIET机制使得微生物伙伴之间能够直接进行电子转移，避免了通过扩散载体的电子损失，从而提高了甲烷产量和整体厌氧消化性能（Fang等人，2024年；Wang等人，2021年）。本文综述重点关注通过DIET机制参与甲烷生成的电活性微生物群落，特别是产甲烷细菌和古菌。尽管对AD和DIET机制的兴趣日益增加，但大多数研究集中在简化的条件下，通常使用乙酸和乙醇等模型底物，以及有限的微生物种类，主要是Geobacter属和Methanosaeta属（Zhao等人，2016年）。虽然这些研究为DIET现象提供了基本见解，但它们并不能充分反映实际AD系统的复杂性，因为实际系统受到多种底物、混合微生物群落和动态操作条件的影响（Adams，2025年）。此外，尽管多组学方法揭示了许多可能与DIET机制相关的功能基因，但许多基因的特征仍然有限，它们对不同底物和导电材料（CMs）的调控反应尚未得到系统理解（Zhang等人，2021年）。在不同底物补充条件下的代谢途径、功能基因表达和实际AD性能之间的缺乏整合突显了一个关键的知识空白（Chadwick等人，2022年）。

为了解决这个问题，本综述综合了关于电活性微生物群落以及参与DIET介导的甲烷生成的产甲烷菌的最新发现。本文全面分析了生理学和基于宏基因组学研究中鉴定的功能基因，重点探讨了它们在电子转移和甲烷生产中的可能作用。特别关注底物类型和导电材料如何影响基因调控，从而影响微生物相互作用和DIET效率。通过将微生物生态学与功能基因组学相结合，本综述旨在加深对DIET机制及其在优化AD系统中甲烷生产方面影响的理解。

章节摘录

关于DIET相关微生物的分子生物学和遗传学见解

最近，先进的分子技术和测序方法（如16S rRNA基因分析、宏基因组学和宏转录组学）被广泛用于直接或间接阐明DIET机制。自2000年代初以来，测序技术的进步扩展了元-组学在各个领域的应用（Zhang等人，2021年；Zhao等人，2020年；Zhu等人，2025年）。这些方法有助于分析复杂的生物系统，提供了关于微生物分类学和功能的见解

通过DIET机制的甲烷生成中的底物相关模式

底物组成在塑造AD系统中的微生物相互作用和电子转移途径中起着关键作用。为了探讨DIET介导的甲烷生成中的底物相关趋势，本综述分析了大约285篇报道在不同底物条件下DIET的研究。具体来说，我们对这285篇文章进行了系统总结，包括（i）随时间变化的发表趋势，（ii）所使用的导电材料（CMs）的分布，以及（iii）主要的DIET机制

范围和局限性

所回顾的研究在反应器配置、底物组成、导电材料类型和分析分辨率方面存在很大差异，因此无法使用定量元-分析方法，如效应大小估计或基因水平调控分析。因此，这里提出的机制解释应被视为基于假设的解释，而不是经过证实的因果关系。尽管如此，观察到的基于频率的趋势仍然具有重要意义

与DIET相关的电子转移和甲烷生成的遗传结构

如图1所示，DIET可以通过三种主要机制进行：（a）菌毛介导的电子转移，（b）细胞色素依赖的电子转移，以及（c）导电材料辅助的转移。每种机制都依赖于不同的功能基因集合。例如，pilA编码形成导电菌毛的PilA蛋白；外膜细胞色素如omcS和omcZ通过氧化还原活性血红素基团促进电子流动（Jiang等人，2023年）；以及参与EPS生成的基因

前景和建议的研究方向

尽管在理解DIET机制方面取得了显著进展，但仍存在一些关键的知识空白，需要解决这些空白以推进DIET在AD系统中的基础理解和实际应用。

结论

总之，与DIET机制相关的功能基因对于维持共生代谢和甲烷生产中的电子传输过程至关重要。生理学和宏基因组学研究已经确定了编码导电菌毛、外膜细胞色素和氢化酶复合体的关键DIET相关基因，这些基因共同使微生物能够形成直接的电连接。研究最广泛的基因包括< />A、omcS和omcZ，以及膜转运相关基因

未引用的参考文献

Chen等人，2022年；Cruz Viggi等人，2017年；Dang等人，2017年；Gao等人，2022年；Janusz等人，2017年；Kim等人，2021年；Lei等人，2016年；Lei等人，2018年；Lv等人，2025年；Martínez-Mendoza等人，2024年；Qin等人，2021年；Song等人，2024年；Tian等人，2017年；Wang等人，2024年；Xu等人，2022年；Zhao等人，2022年；Zhuang等人，2015年；Zhuang等人，2019年。

CRediT作者贡献声明

Parthiban Anburajan：撰写——综述与编辑、可视化、资金获取、数据管理、概念构思。Sang-Hoon Lee：撰写——综述与编辑、可视化、监督、资源协调。Dick Dick Maulana：正式分析、数据管理。Hee-Deung Park：撰写——综述与编辑、可视化、监督、资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（RS-2024-00339936）的支持。