微生物电化学系统电子中介体

电化学活性微生物与电极之间的胞外电子传递在微生物电化学系统(microbial electrochemical systems,MESs)产能、生物修复等功能的实现中起着关键作用。目前,研究者对微生物胞外电子传递机理了解有限,限制了MESs的应用。相比于需要微生物功能蛋白与电极接触才能发生的直接电子传递,间接电子传递可通过具有可逆氧化还原活性的电子中介体(electron transfer mediators,ETMs)实现电子的传递,从而有效提高微生物胞外电子传递效率。在间接电子转移过程中,ETMs起着中间电子受体和中间电子供体的作用,即被还原后可将电子传递给最终电子受体并被重新还原;理论上每个ETMs分子可以循环数千次,因此ETMs对特定环境下终端氧化物(如铁离子)的循环有着极其显著的作用。本文系统总结了MESs中ETMs及间接电子传递机制近年来的研究进展,并且在此基础上探讨了ETMs在MESs中的研究趋势,以期推动MESs在生物修复、能源生产方面的实际应用。

多铜氧化酶／中介体催化氧还原反应动力学分析

采用分光光度法、Clark型氧电极以及循环伏安法结合旋转圆盘电极技术,分别测定了游离多铜氧化酶在扩散型电子中介体存在时,催化氧还原循环中每一个组成步骤的速率并进行了比较,试图确定这个催化反应的决速步骤。实验结果表明,漆酶分子内部的电子迁移速率(103/s)最高,酶催化氧气化学还原的速率次之(91/s),酶催化中介体氧化产物在电极上电化学还原的速率再次之(0.19/s或7.8×10-3cm/s),底物O2气以及氧化态/还原态电子中介体2,2'-连氮-双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(ABTS)的传质系数分别为1.7×10-3、4.4×10-4和6.3×10-4cm/s,相应地酶催化中介体氧化的化学反应速率为0.047/s,酶催化中介体氧化的化学反应步骤以及中介体的传质步骤是影响催化反应速率的关键。在此基础上,通过系统改变体系中酶的种类、活力以及浓度、中介体种类及浓度、溶液温度及pH值等参数,研究了酶电催化氧还原活力与这些参数之间的依赖关系,进一步确证了前述的结论。

微生物燃料电池研究进展

微生物燃料电池,是微生物技术与电池技术相结合的产物,利用微生物整体为催化剂催化燃料转化为电能的装置。近年来,相继有多种微生物菌株被发现有电化学活性,大大拓展了微生物燃料电池的应用领域,如直接制造生物传感器、处理废水产电等。微生物燃料电池的研究与应用,对缓解当前的能源危机有重大意义,其发展潜力很大。文章简述了微生物燃料电池的工作原理和结构,综述了国内外最新的研究进展,分析了影响电池性能的各参数的关系,期望对微生物燃料电池的开发有所帮助。

酮戊二酸接枝壳聚糖-纳米金粒子复合物固定漆酶基电极的催化氧还原性能

以ɑ-酮戊二酸接枝壳聚糖和纳米金溶胶共混所得复合物为固定漆酶的载体,将固酶复合物滴涂在裸玻碳电极表面干燥后,得到固定漆酶基阴极。文章考察了此电极在不含底物的电解质溶液中的直接电化学行为,同时还考察了其在扩散型电子中介体存在时的异相电子迁移动力学,同时研究了此电极对氧气还原反应的催化性能(中介体存在时)。在此基础上进一步考察了此电极作为氧气电化学传感器的性能。研究结果表明:ɑ-酮戊二酸接枝壳聚糖-纳米金溶胶复合物固定漆酶修饰电极在无电子中介体时不能实现漆酶活性中心与电极之间的直接电子迁移,也不具备催化氧还原的性能。在扩散型电子中介体存在时,该电极能在较高的电位(催化氧还原的起始电位:790mV)下实现氧气的电还原,而且对氧气浓度较为敏感。这种漆酶基电极的在生理pH值时仍具有一定的催化活力。这种电极对氧的传感性能良好:检测限低达0.5×10-6 mol/L、灵敏度高达35.6×10-6A L/mmol和良好的对氧亲和力(KM=89.9×10-6 mol/L)。

烟酰胺类辅酶依赖型氧化还原酶的辅酶偏好性改造及其在合成生物学中的应用

烟酰胺类辅酶NAD(P)是生命体氧化还原过程中最常见的电子中介体。绝大多数氧化还原酶都需要NAD或NADP进行分解代谢和合成代谢,但根据其在代谢过程中的作用,不同氧化还原酶表现出不同的辅酶偏好性。为了解决辅酶在代谢过程中的供需平衡、生产成本和稳定性等问题,对氧化还原酶的辅酶偏好性改造是蛋白质工程的研究热点。本文综述了氧化还原酶的天然烟酰胺辅酶偏好性的改造方法和研究进展,以及天然辅酶偏好性改造工程在提高产品收率和降低生产成本方面的应用。仿生烟酰胺辅酶因成本低、稳定性高,常被用来代替天然烟酰胺辅酶参与氧化还原反应,因此本文还详细介绍了改造酶元件使其偏好仿生烟酰胺辅酶以及其在合成生物学领域构建体内生物正交氧化还原途径和体外合成途径等方面的研究进展。随着更多天然酶元件以及新型优良仿生辅酶的挖掘和设计,从天然辅酶到仿生辅酶的辅酶偏好性改造已成为辅酶工程的一个重要方向。

吩嗪在铜绿假单胞菌去除六价铬中的作用

研究了铜绿假单胞菌的吩嗪类分泌物:绿脓菌素(pyocyanine,PYO)和1-羟基吩嗪(1-hydroxyphenazine,POH),在铜绿假单胞菌去除Cr(Ⅵ)中的作用。采用分光光度法和原子吸收光谱法测定样品中Cr(Ⅵ)和总铬在不同时间点的浓度,结果表明,铜绿假单胞菌可吸附并还原Cr(Ⅵ),并且PYO和POH均可加速菌体对Cr(Ⅵ)的还原,随着吩嗪浓度增大,还原速率加快,当PYO或POH的浓度为50μmol/L时,12 h内的Cr(Ⅵ)还原量分别为12 mg/L和16 mg/L。