该研究基于微生物电子流，利用铁矿物作为电子中介体，打破了甲烷氧化菌群和二氧化碳还原菌群的电子传递屏障。通过矿物中铁价态的氧化还原转换，原位构建了“微生物地质电池”，基于充电过程（三价铁→二价铁）驱动甲烷氧化过程，基于放电过程（二价铁→三价铁）驱动二氧化碳还原过程。铁矿物耦合甲烷氧化过程和二氧化碳还原过程，可提升82.8%的甲烷消耗和79.5%的二氧化碳消耗，16.7%的温室气体碳被固定到生物质，温室效应增温潜能减少47.2%。基于光暗的条件转换，铁矿物的地质电池表现出良好的充放电周转性，在黑暗条件下铁矿物可以被完全还原为二价铁矿物，随后光照条件下二价铁矿物再次被充分氧化为三价铁矿物。铁矿物表现出的良好周期性可以减少甲烷氧化过程中外源电子受体的输入和二氧化碳还原过程中外源电子供体的输入，构建形成一个可周转的自循环温室气体减排体系。

基于铁矿物的微生物地质电池实现温室气体（甲烷和二氧化碳）协同减排

全球平均气温较工业革命前已升高1.1 ℃，一旦升温突破2 ℃的安全阈值，海洋、极地等关键生态系统将面临不可逆转的损害。面对全球气候变化引发的生态风险，人们正在开发各种人工碳封存技术，以期最大限度地减少两大温室气体（甲烷和二氧化碳）的排放。自然生态系统是甲烷和二氧化碳的最大碳汇，且储碳潜力巨大，充分挖掘自然生态系统碳汇潜力是海岸带可持续发展的必经之路。该研究证明了在两种不同的环境下（光和暗），铁矿物加速了微生物种间电子流过程，实现了甲烷氧化和二氧化碳还原两个过程的耦合，可显著减少温室气体的释放。从理论研究上打破了单一微生物无法实现的环境学功能，基于多元体系的耦合，为微生物功能强化提供了一种新思路；从应用研究上构建了一种新的温室气体转化方式。利用自然界的天然矿物元素强化自然碳汇过程，是一种非常具有应用潜力的生态增汇策略，为温室气体减排提供了新视角。

研究团队及资助

该论文第一作者为5123导航郑越副教授，共同第一作者为5123导航汪欢博士生，通讯作者为中国科学院城市环境研究所赵峰研究员和普林斯顿大学任智勇教授，共同作者包括中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员、刘延博士生、刘沛余博士，中国科学院亚热带研究所朱宝利研究员，中国科学院微生物研究所郑艳宁研究员，美国华盛顿大学Ludmila Chistoserdova博士。该研究获得国家自然科学基金和5123导航南强青年拔尖人才支持计划（B类）等资助。

论文来源及链接

Yue Zheng, Huan Wang, Yan Liu, Peiyu Liu, Baoli Zhu, Yanning Zheng, Jinhua Li, Ludmila Chistoserdova, Zhiyong Jason Ren & Feng Zhao.  Electrochemically coupled CH4 and CO2 consumption driven by microbial processes. Nature Communications 15, 3097 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-47445-8