基于网络和组学方法的产电微生物胞外电子传递研究进展

介绍产电微生物胞外电子传递(extracellular electron transfer,EET)研究的背景和意义,概述细胞色素c、菌毛蛋白、电子介体等多种分子在EET过程中的作用,综述近年来利用网络方法和组学方法研究产电微生物EET过程的相关工作。从蛋白网络、调控网络与整合网络等方面总结网络分析方法在关键电子传递分子识别、电子传递模块挖掘、电子传递途径推断等方面的应用;从基因组、转录组、蛋白组、多组学与宏组学等方面总结使用组学方法识别电子传递基因及其功能分析方面的研究;介绍整合生物网络与组学数据在产电微生物EET过程生物分子协调利用、关键基因与基因簇识别等方面的研究。探讨当前存在的问题,展望未来整合多种生物网络和组学数据开展产电微生物EET研究的方向。

黄海透光层悬浮半导体矿物组成及其促进微生物胞外电子传递过程初探

在地球上最为活跃的海洋透光层体系中,矿物-微生物交互作用的形式十分丰富。系统采集了黄海近海透光层水体样品,测试分析发现其中分布大量悬浮半导体矿物及微生物群落。通过电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)、环境扫描电子显微镜(ESEM)及配有的EDX能谱仪,从宏观到微区对悬浮颗粒矿物的化学元素组成进行了测试分析,发现其主要矿物组成元素为Si、O、Na、K、Ca、Al等,且含有较高含量的Mn、Fe、Ti等金属元素;通过X射线衍射光谱(XRD)、拉曼光谱(Raman)测试从整体到局部分析悬浮颗粒矿物的物相组成,发现其主要组成矿物为石英、钠长石、方解石、云母和绿泥石等,还有锐钛矿、金红石、板钛矿、针铁矿等铁、钛金属氧化物半导体矿物。通过16S rRNA高通量测序分析海水中主要微生物群落为Proteobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes、Woeseia、Fluviicola等,并通过构建双室反应体系对海水微生物与悬浮矿物间氧化还原作用及胞外电子传递过程进行了表征,结果显示增加海水悬浮矿物作为电子受体后,体系开路电压由330. 80 mV提升至426. 59 mV,提升比率达130%,最大输出功率由8. 376 9 mW/m^2提升至12. 096 8 mW/m^2,为原体系的1. 44倍。实验研究表明,海水透光层悬浮矿物能有效参与并促进微生物胞外电子传递过程,为后续深入研究基于电子能量传递利用的半导体矿物-微生物协同作用以及元素循环调控机制奠定初步基础。

天然赤铁矿促进红壤微生物胞外电子传递机制研究

为了研究天然赤铁矿对微生物胞外电子传递机制,以长沙和海口红壤为例,构建了双室反应体系对红壤微生物与天然赤铁矿间氧化还原作用及胞外电子传递过程进行表征。研究显示,增加赤铁矿作为电子受体后,长沙与海口红壤体系开路电压由425.28、414.64 m V提升至511.46、532.52 m V,最大输出功率由221.5、171.0 m W/m^3提升至431.4、260.2 m W/m^3。电化学循环伏安测试显示在0.43、0.55 V(相对于饱和甘汞电极;vs.SCE)处出现Fe(Ⅲ)还原峰及Fe(Ⅱ)氧化峰,指证新氧化还原反应的引入。电化学阻抗谱(EIS)拟合结果显示赤铁矿电极极化内阻R_p自44840Ω降至665Ω,从动力学层面表明电极反应导致的电势降低有利于电子转移。实验研究结果表明,红壤环境中以赤铁矿为代表的铁氧化物能够有效参与并促进微生物胞外电子传递。

土壤微生物—腐殖质—矿物间的胞外电子传递机制研究进展

微生物胞外电子传递是地球表层系统元素循环与能量交换的重要驱动力。近年来,以微生物—腐殖质—矿物之间电子转移为核心的生物地球化学过程得到重视,拓展了以带电的土壤胶体与离子之间的相互作用为重心的土壤界面过程的内涵,成为地球表层系统物质间相互作用新的关注点,启示我们从化学与生物两个角度重新认识地球表层系统过程。本文从微生物、腐殖质和矿物等要素入手,综述了其地球化学角色与功能,讨论了它们之间的相互关系以及胞外电子传递的途径与方式;从热力学的角度探讨了胞外电子传递过程的能量变化,从动力学的角度探讨了胞外电子传递的传质与速率;介绍了若干胞外电子传递的研究方法;并提出了今后需要重点关注的重要科学问题。

希瓦氏菌介导制备还原氧化石墨烯薄膜及其增强的胞外电子传递

采用单室、三电极体系,通过希瓦氏菌(Shewanella)还原氧化石墨烯(GO)膜,制备了石墨烯(rGO)薄膜,并通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)等手段表征了GO还原前后的结构和性质,证明了Shewanella菌可以有效将GO膜还原为rGO.以该生物还原得到的rGO薄膜为工作电极,可以有效改善Shewanella菌的胞外电子转移(EET).与空白的氧化铟锡(ITO)电极相比,rGO电极的阳极输出电流增大了13%,电量增加90%.该Shewanella还原法是一种温和制备rGO膜的方法,制得的rGO膜改善了微生物的EET效率.

微生物的胞外电子传递界面

微生物胞外电子传递(Extracellular electron transfer,EET)在地球生物化学循环、生态修复、废水处理以及资源再生等领域发挥着重要作用.自然界中胞外电子传递的界面性质各异,导致反应速率和效率明显不同.本文介绍了胞外电子传递过程涉及的无机物-微生物界面和有机物-微生物界面,总结了反应物表面性质与微生物的互作规律:反应物表面的氧化还原活性决定其电子接受/释放能力,从根本上影响胞外电子传递发生的可能性;微生物与反应物之间的氧化还原电势差决定了电子传递方向;表面电荷、润湿性、表面粗糙度、孔隙度和生物相容性综合影响微生物在固体表面的吸附、粘附、生物膜生长及活性,从而影响胞外电子传递的效率;导电性影响电子传输速率.本综述旨在通过对比各种反应界面,认识不同反应物界面间的共性与特性.这些认识有助于系统理解微生物胞外电子传递与环境的关系,为其在工程中的应用提供理论指导.

微生物纳米导线、纳米管与胞外电子传递及胞间物质交换

微生物广泛分布于自然界中。微生物与矿物间的互相作用,对地球表层元素循环及环境演变起着重要作用。胞外呼吸是微生物与矿物之间相互作用的方式之一,其核心环节是胞外电子传递,其中的纳米导线传递已成为目前胞外电子传递研究的热点。已知的纳米导线可以分为菌毛和细胞外膜与周质空间延伸物两种。此外,细菌纳米管是一种由细胞膜成分构成与希瓦氏菌的纳米导线类似的管状物。纳米管可以在某种特定刺激下,作为相邻细菌细胞间物质交换的通道,但纳米管是否具有导电性能,目前并不清楚。本文综述了近年来有关细菌纳米管、纳米导线及其电子传递机制和应用方面的研究进展。

纳米材料介导微生物胞外电子传递过程的研究进展

微生物胞外电子传递(EET)过程在自然界中普遍存在,并且在能源利用和环境修复等方面具有广阔的应用前景,但是低效的电子传递一直是其在实际应用中的关键瓶颈。纳米材料具有独特的表面效应、体积效应、量子尺寸及宏观量子隧道效应等性质,引入纳米材料与电活性微生物相结合实现优势互补,可以缩短电荷转移路径,从而提高EET效率。本文综述了EET方式,以及纳米材料的电子转移能力、氧化还原电势、表面结构与性质、生物相容性及纳米材料-微生物的界面构筑对EET过程的影响,重点阐述了纳米材料与电活性微生物界面构筑的各种策略,并讨论了这些策略的适用性和局限性,最后展望了纳米材料强化电活性微生物EET的未来研究方向。

电化学原位红外光谱研究希瓦氏菌MR-1的直接胞外电子传递机制

应用循环伏安法和电化学原位红外光谱法研究了希瓦氏菌MR-1,以及敲掉最外层蛋白MtrC/OmcA得到的ΔomcA-ΔmtrC突变体在周转与非周转情况下的电化学行为。循环伏安和原位红外光谱研究都证明希瓦氏菌MR-1野生株和突变株都具有电子传输能力,但是ΔomcA-ΔmtrC突变株的电子传递能力明显比野生株弱。通过电化学原位红外光谱研究,本工作首次提出由细菌代谢乳酸钠所产生的CO2吸收峰(2342cm-1)以及与细菌代谢密切相关的羰基谱峰作为细菌代谢能力的一种评估指标,并推测出希瓦氏菌MR-1可能还存在着一条辅助的电子传递途径。

胞外电子传递机制及其环境效应研究进展

胞外电子传递作为一种新型的电子传递方式,与经典电子传递链不同,其电子受体位于细胞外,多以固体的形式存在而无法进入细胞内,因此胞内氧化有机物产生的电子需要穿过细胞膜最终到达胞外电子受体。因此,胞外电子传递在废水处理、环境修复、能量回收等方面有着巨大的应用前景。讨论了胞外电子传递的机理和传递方式,总结了影响胞外电子传递效率的因素及促进传递的措施,阐述了胞外电子传递在环境工程领域的应用并展望了未来研究方向。

微生物燃料电池阳极材料对微生物胞外电子传递效率的影响

微生物燃料电池(microbial fuel cell,简称MFC)是以阳极的微生物为催化剂,直接将化学能转化为电能的生物反应器装置。该文对影响微生物燃料电池产电效率的胞外电子传递、内阻,以及阳极材料改性进行了概述,并提出MFC应用中存在的问题和研究方向。

Cu^2+胁迫对Acidithiobacillus ferrooxidans亚铁氧化代谢及胞外电子传递影响

为了查明Cu^2+胁迫影响Acidithiobacillus ferrooxidans(At.ferrooxidans)亚铁氧化代谢机制,本研究设计了由低到高Cu^2+浓度(0~25 g/L)胁迫环境,利用邻菲啰啉分光光度法、实时荧光定量PCR和循环伏安法等分析手段分别探究了不同Cu^2+浓度胁迫下At.ferrooxidans亚铁氧化率、亚铁氧化电子传递链rus operon相关基因表达及胞外电子传递的响应情况。结果表明:Cu^2+胁迫浓度由0 g/L增加至25 g/L时,At.ferrooxidans菌亚铁氧化活性显著降低(25 g/L Cu^2+,对应下24 h亚铁氧化抑制率约为50%),rus operon相关基因表达显著下调(尤其是细胞内膜蛋白编码基因Cyc1和细胞色素c氧化酶编码基因CoxBACD分别下调12.4倍和4~6倍),Fe2+氧化胞外传递电子能力也降低(循环伏安曲线还原峰值29.0μA(对照组,0 g/L Cu^2+)和26.5μA(25 g/L Cu^2+))。综上所述,高浓度Cu^2+胁迫引起At.ferrooxidans菌亚铁氧化代谢Rus operon相关基因表达显著下调,造成胞外电子传递速率降低,最终导致At.ferrooxidans菌亚铁氧化率降低。

漫透射光谱电化学原位研究穿梭体介导的胞外电子传递过程

微生物胞外电子传递是地球表层系统元素循环与能量交换的重要驱动力,穿梭体通过自身的氧化还原循环,介导并加速微生物与矿物之间的电子转移。但目前为止,穿梭体的实时氧化还原状态与胞外电子传递强弱之间的定量关系还不太清楚。因此,本研究搭建了漫透射光谱电化学测试系统,原位测试了典型穿梭体介导的胞外电子传递过程,探究了AQS氧化还原状态变化与电流强弱之间的关系。结果表明,在反应初期,电流的上升与AQS氧化还原状态密切相关,而反应中后期,AQS的氧化还原状态不再发生明显的变化,但电流仍然继续上涨,说明体系中除了AQS氧化还原状态以外,可能有其他更重要的因素在起着持续的作用。

一株降解氯霉素电活性菌株的筛选及其电子传递路径

生物电化学系统能在处理污染物的同时回收清洁电能,为含抗生素废水的高效处理提供了一条新途径,近年来在环境与能源领域受到了广泛关注。从实验室长期稳定运行的微生物燃料电池(MFC)阳极出水中分离一株氯霉素(CAP)高效降解菌株DB-1,根据其形态学特征、生理生化特性、16S rRNA基因序列比对分析,将其鉴定并命名为Raoultella sp DB-1。经研究发现,菌株DB-1在以葡萄糖为碳源且CAP质量浓度为50.0 mg/L的培养基中培养48 h后,CAP降解率达到42.0%。菌株DB-1以直接接触并通过细胞色素c传递电子为主,以分泌电子介体协助胞外电子传递(EET)为辅。构建双室MFC,在阳极中接种菌株Raoultella sp DB-1。在阳极电活性生物膜驯化结束时,MFC的最高输出电压达到(355.0±6.4)mV,随着阳极液中CAP质量浓度的升高(10.0~80.0 mg/L),MFC输出电压出现先下降后上升再下降的趋势,但经驯化的菌株Raoultella sp DB-1电活性生物膜逐渐对CAP有了耐受性,且CAP的生物电化学降解速率也逐渐加快。本研究筛选的菌株Raoultella sp DB-1具有高效降解CAP并同步产电的性能,在含抗生素有机废水的生物电化学处理领域具有较好的应用前景。

微生物电解池催化CO_(2)电转化为甲烷:影响因素、电子传递和展望

化石燃料作为能源供应的主要来源,燃烧导致大量CO_(2)的释放和温室效应,CO_(2)的捕获和再利用越来越受到人们的关注.微生物电解池(MEC)作为一种新的CO_(2)再利用技术,可通过将电活性微生物与电化学刺激相结合,将CO_(2)通过生物电化学作用回收为低碳燃料(如CH_(4)),从而实现CO_(2)固定和能量回收.尽管近年来MEC领域有较多研究,但仍然存在许多问题阻碍了该技术的规模化和产业化.本文梳理了CO_(2)电化学产甲烷的工作原理、性能影响的关键因素、生物阴极电活性功能微生物及其胞外电子传递机制、电催化耦合技术的最新研究进展,提出了MEC辅助CO_(2)电甲烷化技术的未来研究需求和挑战.

基于细胞色素c的胞外电子传递过程

电活性微生物具有独特的胞外电子传递功能,在地球化学循环和环境污染修复中起着重要作用。细胞色素c在电活性微生物胞外电子传递过程中扮演了重要角色,不仅参与直接电子传递途径,还参与电子媒介介导的间接电子传递。其电子传递功能不仅对地球环境中铁、锰、碳等元素的循环具有重要作用,还应用于能源生产、废水处理、生物修复等众多领域,具有良好的应用潜力。本文以电活性微生物的2个模式菌属(希瓦氏菌属和地杆菌属)为例,综述了电活性微生物将电子由胞内转移至胞外的方式和途径,详细阐述了细胞色素c在该胞外电子传递过程中的重要作用,总结了细胞色素c介导的胞外电子传递过程所涉及的分析方法,并对微生物胞外电子传递未来的研究方向提出了展望。

电子穿梭体介导的微生物胞外电子传递:机制及应用

厌氧条件下微生物将电子传递给胞外电子受体的现象非常普遍,电子穿梭体(electron shuttle,ES)是介导胞外电子传递过程的重要途径之一,但其具体的机制尚未明晰。一部分微生物自身能分泌一些物质作为内生ES,另一部分微生物能利用天然存在或人工合成的某些物质作为外生ES,并将其携带的电子传递至微生物胞外电子受体。ES介导微生物胞外电子传递的基本过程为:氧化态电子穿梭体(ES_(ox))接受电子变成还原态(ESred),ESred传递电子给胞外电子受体,自身再次氧化成ES_(ox),从而循环往复。本文重点介绍不同种类ES及其电子穿梭机制,以及ES的分子扩散、氧化还原电势及电子转移能力对胞外电子传递过程的影响。ES介导的胞外电子传递过程直接影响污染物转化和微生物产电,因此在污染修复及生物能源等方面具有重要的应用前景。

腐殖质电化学特性及其介导的胞外电子传递研究进展

腐殖质是环境中广泛存在的富含醌基、非均相的天然有机混合物,是土壤中的主要电活性物质,在环境微生物驱动的电子转移过程有重要作用.本文介绍了腐殖质氧化还原活性及其电子转移能力的表征方法,并详细对比了不同测定方法的优缺点;阐述了腐殖质介导的胞外电子传递胞外电子传递过程,其本质是环境微生物以腐殖质作为电子受体,氧化环境中的有机小分子物质,并偶联能量的产生和支持菌体的生长,形成一种新型厌氧呼吸形式——腐殖质呼吸;腐殖质呼吸作用产生的还原态腐殖质可以还原环境中的一些氧化态污染物质,如重金属、有机污染物和有机染料等.此外,腐殖质也可以介导微生物与固体电极间的电子传递,从而促进生物电化学系统中的生物电流产生.由于腐殖质介导的微生物胞外电子传递机制复杂,未来将主要通过现代光学和蛋白组学等最新技术来研究微生物胞外电子传递过程以及其与腐殖质的相互作用机制;此外,采用醌基修饰等方法增强腐殖质的电子转移能力,有望加速其介导的微生物胞外电子传递过程,以便将其应用于实际环境修复.

矿物电子能量协同微生物胞外电子传递与生长代谢

矿物是无机自然界吸收与转化能量的重要载体,其与微生物的胞外电子传递过程体现出矿物电子能量对微生物生长代谢与能量获取方式的影响。根据电子来源与产生途径,以往研究表明矿物中变价元素原子最外层或次外层价电子与半导体矿物导带上的光电子是微生物可以利用的两种不同胞外电子能量形式,其产生及传递方式与微生物胞外电子传递的电子载体密切相关。在协同微生物胞外电子传递过程中,矿物不同电子能量形式之间既有相似性亦存在着差异。反过来,微生物胞内-胞外电子传递途径也影响对矿物电子能量的吸收与获取,进而对微生物生长代谢等生命活动产生影响。本文在阐述矿物不同电子能量形式产生机制及其参与生物化学反应的共性和差异性特征基础上,综述了微生物获取矿物电子能量所需的不同电子载体类型与传递途径,探讨了矿物不同电子能量形式对微生物生长代谢等生命活动的影响,展望了自然条件下微生物利用矿物电子能量调节其生命活动、调控元素与能量循环的新方式。

基于直接接触的微生物胞外电子传递

微生物电子传递在微生物的代谢繁殖和物质的生物地球化学循环中发挥着关键作用。其中基于直接接触的微生物胞外电子传递(Direct extracellular electron transfer,DEET)已成为微生物学、地球化学和生物物理学等学科共同关注的焦点,并在近几年取得了一系列重要发现和理论突破,包括微生物纳米导线、电缆细菌、微生物种间DEET等。伴随着这些新进展,更多的问题也需要研究者们在进一步的研究中解决,包括DEET的分子机制及其相关功能微生物种群等。不同学科理论和技术的交叉是进一步揭示DEET过程的关键。