地杆菌中基因Gmet_1513对其产电及生物膜形成的影响

Geobacter metallireducens GS-15中存在Gmet_1513基因可编码具有自动诱导结合域的LuxR家族转录调控因子,使GS-15借助N-酰基高丝氨酸内酯促进产电及生物膜形成成为可能.而目前有关地杆菌群感效应的相关研究大多基于投加化学信号分子或信号分子淬灭剂的手段,缺乏靶向性与精确性.本研究构建了Geobacter metallireducens GS-15的Gmet_1513基因缺失突变株(Δgmet_1513),研究Gmet_1513在GS-15菌株发挥电活性过程中的功能.实验结果表明,Δgmet_1513与野生型菌株相比产生群感效应信号分子的能力减弱,Δgmet_1513外膜蛋白种类减少,生物电化学系统的启动时间延长且电流输出减弱.与此同时,激光共聚焦图像对比结果表明Δgmet_1513无法形成成熟致密电活性生物膜,EPS成分显示Δgmet_1513的蛋白质含量低,多糖、脂质含量高,使其电子产量低且转移困难,无法进行AHLs的识别及结合导致电子传递相关蛋白无法表达,电子传递多重受阻.本研究为今后以Gmet_1513基因为靶标,利用群感效应相关蛋白表达调控地杆菌生物膜形成以及产电提供依据.

吸收胞外电子的电活性微生物

可吸收胞外电子的电活性微生物(Electroactive microorganisms,EAMs)可利用胞外固态载体的电子将二氧化碳或其他氧化态物质还原成胞外有机物、还原态无机物或自身生命活动所需的有机物。该类EAMs的出现拓宽了人们对微生物多样性的认识,在生物质能合成、污染物治理与化学物质检测等方面具有重要的应用价值。本文介绍了代表性的可吸收胞外电子EAMs的物质转化与电能转化率等基本特性,重点阐述该类EAMs基于膜蛋白的直接吸收电子机制,及基于电子穿梭体的间接吸收电子机制,提出了其在微生物电合成系统与微生物传感器中的应用前景,并从EAMs机理研究、生物膜微观机制及工程应用的角度展望其今后的研究方向。

光驱动Pseudomonas stutzeri-CdS半人工光合系统固氮产氨效果与机制

基于微生物-半导体的半人工光合系统能高选择性、高效地利用太阳能驱动微生物固碳、产氢及反硝化,受到了广泛的关注.然而,利用半人工光合系统驱动微生物固氮产氨却鲜见报道.本研究成功构建了Pseudomonas stutzeri-CdS(P.stutzeri-CdS)半人工光合系统,其具有捕获光能并还原N_(2)成氨的能力.光照时,CdS产生的光电子传递至胞内,参与P.stutzeri固氮过程.结果显示,光照5天后,P.stutzeri-CdS系统中NH^(+)_(4)的产量达(2.03±0.07)mg/L,是对照组的2.91~7.37倍.光照系统表现出了明显的乙炔还原酶活性,产生的乙烯量是对照组的6.2~100倍,证明了P.stutzeri-CdS光照过程中的固氮酶活性.同时,实时荧光定量PCR技术进一步证实了光照时,P.stutzeri-CdS中固氮酶基因nifA,nifD,nifH,nifK的相对表达丰度呈显著上调(1.41~2.35).蛋白酶K添加处理实验表明,该系统中胞外光电子传递至胞内不依赖于胞外蛋白,可能为小分子氧化还原介体介导的传递过程.本研究为发展高效、经济、绿色的氨生产提供了一种新思路,为理解自然界的氮循环过程提供新视角.

地杆菌:驱动厌氧生物地球化学循环的“多面手”

地杆菌属隶属于δ变形菌纲、地杆菌科,为革兰氏阴性严格厌氧微生物,是一类广泛分布于水体沉积物、土壤和多种地下厌氧环境中的异化铁还原菌。地杆菌可通过多种途径参与厌氧环境中碳、氮、铁等元素生物地球化学循环,具有“多面手”特性,如通过碳分解代谢分解乙酸等小分子有机酸或芳香族化合物、或碳固定利用甲酸、一氧化碳等一碳化合物以及通过胞外电子传递驱动产甲烷菌产甲烷参与碳循环过程;通过硝酸盐异化还原成氨(DNRA)、固氮作用以及与反硝化菌建立互营关系参与氮循环过程;表达多种内膜醌脱氢酶ImcH、CbcL和CbcAB、外膜细胞色素C及导电纳米线,通过直接接触或在电子穿梭体和螯合剂的协助下实现胞外多种Fe(Ⅲ)氧化物的还原而参与铁循环过程。地杆菌的“多面手”特性,使其在多种环境中生存并占据着厌氧环境中重要的生态位,并成为驱动厌氧环境中生物地球化学循环的引擎。本文介绍了地杆菌的代谢特征及分布情况,揭示其在碳、氮、铁元素生物地球化学循环中的作用,并系统分析了地杆菌“多面手”的特性。本文有利于加深对地杆菌驱动的关键元素生物地球化学循环的认识,为理解地杆菌在自然环境中产生的环境效应提供夯实的理论基础,将推动地杆菌在维持生态平衡以及污染治理中的实际工程应用。

石墨烯/血红素仿生涂层促进电活性微生物产电的效应和机理研究

阳极输出效率是决定生物电化学系统(BESs)能否实现工程化应用的基础和关键.但微生物/阳极界面的低效电子传递阻碍了BESs整体输出效率的进一步提升.本研究通过模拟细胞色素c构建了一种石墨烯/血红素(GN/Hemin)复合仿生材料修饰的高性能BESs阳极.通过监测电活性菌Shewanella loihica PV-4的电能输出动态,证实了修饰涂层对微生物/阳极界面电子传递的促进功效.结果表明,菌株PV-4利用GN/Hemin修饰阳极的最大电流密度为7.28μA·cm^(-2),比无修饰阳极电流(0.65μA·cm^(-2))高出10.2倍.电化学分析显示,GN/Hemin涂层显著降低了微生物/阳极界面的电荷转移阻抗,并显著提高了阳极的电化学催化活性.此外,GN/Hemin涂层能够使无产电性能的Geobacter sulfurreducens DL1突变株(Gs-ΔomcZ)恢复产电,表明GN/Hemin具有类OmcZ功能.本研究为BESs提供了一种简易的高性能阳极仿生修饰策略,同时考虑到OmcZ独特的高导电性能,石墨烯/血红素涂层的类OmcZ功能的发现将具有重要的科学和应用价值.