扫描电化学显微镜用于研究生物膜微环境的电子传递

生物电化学系统(BESs)的核心是生物膜在电极/溶液界面的电子传递反应,研究生物膜微区环境中的电子传递有助于阐明微生物的胞外电子传递(EET)机制,从而有针对性地提高BESs中的电子转移效率。微生物的EET机制包括直接电子传递和间接电子传递,由于生物膜组成复杂,含有多种分泌物、胞外聚合物等,常规电化学方法只能从生物膜宏观层面研究EET机制,无法有效区分这两种电子传递途径的贡献。本文采用电化学循环伏安方法研究了电子穿梭体二茂铁甲醇(FcMeOH)与希瓦氏菌(Shewanella)相互作用的界面过程;基于扫描电化学显微技术构建了穿透模式,通过微电极介导FcMeOH与Shewanella反应,收集仅来自间接电子传递途径产生的电流,同时测定了Shewanella在电极/溶液界面的氧化还原性质和空间分布。本论文将电化学扫描探针显微技术应用于EET的研究,从物理化学角度揭示微生物在代谢过程中与外界的电子传输机制。     

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.     

电驱动下的环境污染物厌氧生物转化—电子转移原理和应用实例

厌氧环境下一些微生物能够接受来自于电极的电子并将电子传递至环境污染物,这使得电驱动下生物还原技术在可持续性废水处理以及生物修复方面受到越来越多关注.此体系中,阴极电子传递被认为是影响环境污染物厌氧转化可行性和效率的制约因素.文中首先评述可能的电子传递原理,包括水解氢气介导的间接电子传递、人工合成电子穿梭体或者细菌分泌电子穿梭体介导的间接电子传递、以及电极与细菌之间的直接电子传递等途径.相比间接电子传递,直接电子传递避免了将电子传递给没有起作用的介体及没有和电极接触的浮游微生物,因而更加节能.另外,列举了自养反硝化、生物还原脱氯、重金属生物还原、CO2生物还原以及硫酸盐生物还原等应用实例.最后,提出了此领域研究发展亟需解决的两个重要问题,包括阴极生物膜的培养以及电子从电极转至微生物内在机理的解析.     

腐殖酸的氧化还原行为及其研究进展

腐殖酸具有明显的还原能力,与环境中金属、有机物的氧化还原反应密切相关.腐殖酸的氧化还原特性是由于醌、酚等官能团的存在,尤其是醌基团在电子传递中起到了重要的作用,还原态醌基团是腐殖酸还原能力的主要来源.还原微生物通过电子传递将氧化态腐殖酸转化为还原态形式,还原态腐殖酸可以还原Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)、V(Ⅴ)等重金属和U(Ⅵ)等放射性核素以及芳香化合物等物质,腐殖酸在这个过程中充当了电子传递体,对自然界中污染物质的转化和降解起着重要的作用.本文对腐殖酸氧化还原行为的研究进展进行了综述,并分析了其环境意义及未来的研究方向.     

电化学联用技术研究微生物的胞外电子传递机制

胞外电子传递（EET）是指氧化还原反应所产生的电子在微生物细胞内和细胞外的电子受体/电子供体之间互相转移的过程,这一过程伴随着能量和物质的转化。阐明EET机制是提高微生物能量和物质转化效率的基础,为元素的生物地球化学循环、金属防腐以及生物电化学系统的应用等提供理论支撑。电化学技术作为研究电极/溶液界面电子转移的简便、有效方法,在研究微生物的直接电子传递和间接电子传递机制中发挥了重要的作用,也促进了EET机制的研究从宏观层面到微观层面不断深入。本文综述了研究微生物EET机制所涉及的电化学联用技术（包括微电极、扫描电化学显微镜、电化学联用光学显微镜和光谱电化学等）;详细介绍了这些电化学联用技术的功能和优势;重点阐述了这些电化学联用技术如何推动着EET机制的研究,从宏观的生物膜层面到微观的单个微生物细胞、蛋白和分子层面不断深入;展望了新的电化学联用技术在EET研究领域的应用前景。     

光电子协同微生物介导的重金属离子还原与电子转移机理

重金属污染是一个亟待解决的环境和社会问题。重金属元素在自然界常会形成各种价态的矿物,具有不同的理化性质,对重金属污染治理具有重要的参考意义。重金属离子价态的改变可通过微生物、电极电子及半导体矿物光电子传递与吸收实现。本文分析了微生物及其电化学系统、半导体矿物光电子与光电子协同作用对重金属离子的还原作用,从氧化还原电势角度分析了微生物及其电化学系统与光电子对重金属离子的还原机理。重点从微生物跨膜电子传递过程及分子网络角度阐述了微生物还原变价重金属离子的直接/间接电子传递途径、从微生物向电极的正/逆向电子传递与吸收利用角度揭示了微生物电化学系统与光电子协同微生物对重金属离子价态调控的机制。最后,提出了微生物、电极、半导体矿物与光在重金属价态调控中的作用网络与能量利用途径。可为进一步研究微生物胞外电子传递及微生物光电子利用与光电子协同微生物调控重金属离子价态及其环境治理提供参考。     

垃圾填埋初期水溶性有机物电子转移能力特征研究

为了阐明填埋垃圾初期水溶性有机物( DOM)电子转移能力的演变规律及影响因素,采集不同深度填埋垃圾并提取DOM,以希瓦氏菌MR-1和柠檬酸铁( FeCut)分别作为电子供体和电子受体,测定DOM的电子供给能力( EDC)、电子接受能力( EAC)和电子穿梭能力( ESC),采用光谱分析技术对电子转移能力的3种影响因素进行解析。结果表明,DOM中类腐殖质物质和类蛋白物质既能够作为电子供体传递出自身携带的电子,又可以作为电子受体接受微生物供给的电子。随着垃圾填埋的进行,DOM的电子供给能力和电子接受能力均先升高后降低,而电子穿梭能力持续增强。类蛋白物质是填埋初期 DOM 的主要成分,其含量决定DOM的电子供给能力和电子接受能力的演变。随着填埋时间的延长,类蛋白物质的降解是DOM的电子接受能力和电子供给能力降低的主要原因。 DOM反复氧化还原过程中光谱特征和参数变化规律显示DOM的电子穿梭能力主要源于DOM中类腐殖质物质。在填埋垃圾降解和腐殖化过程中,DOM中类腐殖质物质不断合成,致使其电子穿梭能力不断增强。     

革兰氏阳性电活性菌的电子传递及其应用

电活性菌将电子从胞内转移至胞外电子受体或者将胞外电子转移至胞内的过程为胞外电子传递,其在微生物群落间的电子传递及元素的地球化学循环过程中发挥重要作用。电活性菌的胞外电子传递研究前期主要集中于革兰氏阴性菌,由于革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的膜结构/厚度明显不同,因此二者的电子跨膜传递途径差异明显。革兰氏阳性菌因分布广泛且可在高温、低pH、高pH和高盐等环境中生存,其电活性和电子传递机制也逐渐引起关注。本文归纳总结了革兰氏阳性电活性菌的电子传递类型,基于厚壁菌门、放线菌门和绿弯菌门的分类阐述胞外电子传递的研究进展,分析了革兰氏阳性电活性菌在污染物降解、生物能源和工业制品合成等方面的应用,并展望了未来的发展方向。     

有“生命”的电线:浅析微生物纳米导线电子传递机制及其应用

微生物纳米导线是指在缺少可溶性电子受体的条件下由微生物形成类似菌毛的导电附属物,通过它传递电子是微生物为提高胞外电子传递效率而进化形成的一种有效的电子传递方式。微生物可利用具有高效导电特性的纳米导线将电子传递到远离细胞表面的地方,从而使微生物摆脱了需要直接接触胞外电子受体(Fe(Ⅲ)氧化物或电极)才能传递电子的限制。微生物纳米导线的发现丰富了人们对胞外呼吸多样性的认识,同时其在提高微生物燃料电池产电效率、促进环境中有机污染物的快速降解和生物能源等方面具有重要的应用前景,成为了当前研究的前沿和热点。本文简单介绍了微生物纳米导线的基本特性和产生纳米导线的微生物种类,重点阐述了由Geobacter和Shewanella微生物生成的纳米导线电子传递机制以及其在生物能源和生物修复等方面的应用,并展望了今后的研究重点。     

胶束辅助的酞菁给体-碳纳米管受体超分子自组装及光诱导长寿命电荷分离态

利用十二烷基硫酸钠(SDS)阴离子胶束能够稳定分散单壁碳纳米管(SWCNT)和解聚富集四磺酸锌酞菁(ZnPcS₄)的能力, 组装了ZnPcS₄-SWCNT的电子给体-受体对来模拟光合作用的原初电子转移过程. 用稳态和时间分辨荧光法研究了相应的给体-受体分子间和分子内的光诱导电子转移速率, 用激光闪光光解技术检测了生成的电荷分离态. ZnPcS₄-SWCNT的电子给体-受体组装体在707 nm处出现了基态特征吸收峰, 但是复合体不产生荧光, 这主要归因于有效的分子内光诱导电子转移过程. 瞬态吸收光谱检测到相应的离子对, 动力学衰减结果表明, 电荷分离态的寿命长达42 μs. 这一长寿命电荷分离态的形成, 主要是因为ZnPcS₄是良电子给体(低氧化电位), SWCNT是好的电子受体, 使得三重态电子转移能够发生, 生成三重态电荷分离态.     

Organic Electron Donors as Powerful Single‐Electron Reducing Agents in Organic Synthesis

One‐electron reduction is commonly used in organic chemistry for the formation of radicals by the stepwise transfer of one or two electrons from a donor to an organic substrate. Besides metallic reagents, single‐electron reducers based on neutral organic molecules have emerged as an attractive novel source of reducing electrons. The past 20 years have seen the blossoming of a particular class of organic reducing agents, the electron‐rich olefins, and their application in organic synthesis. This Review gives an overview of the different types of organic donors and their specific characteristics in organic transformations.     

基于零价铁的地下水化学还原修复体系中的电子转移有效性和电子竞争机制

近年来,基于零价铁的化学还原技术因其高效性逐渐被应用于受污染地下水的原位修复。但是,该技术在实际应用中仍面临一些亟待解决的问题。零价铁作为一种高活性的电子供体,除了和目标污染物反应外,还可以与地下水中其他的氧化性物质（如O₂、H⁺或NO₃^-等）反应。这些反应所造成的零价铁腐蚀,不仅会降低修复效率还会增加地下水修复成本。此外,同类或多类污染物间也存在对零价铁所释放电子的相互竞争,从而影响各自的去除效率。本文综述了基于零价铁的地下水修复体系中的电子传递过程和氧化物间的电子竞争机制,从零价铁的腐蚀和电子传递、零价铁电子选择性量化指标的提出和量化方法、地下水体中多种共存氧化物间电子竞争作用、电子效率的影响因素以及强化措施等方面进行详细介绍。最后,对该技术今后发展方向作出了展望,以期为其今后实际的地下水修复应用提供参考。     

Electron tunneling in proteins program

We developed a unique integrated software package (called Electron Tunneling in Proteins Program or ETP) which provides an environment with different capabilities such as tunneling current calculation, semi‐empirical quantum mechanical calculation, and molecular modeling simulation for calculation and analysis of electron transfer reactions in proteins. ETP program is developed as a cross‐platform client‐server program in which all the different calculations are conducted at the server side while only the client terminal displays the resulting calculation outputs in the different supported representations. ETP program is integrated with a set of well‐known computational software packages including Gaussian, BALLVIEW, Dowser, pKip, and APBS. In addition, ETP program supports various visualization methods for the tunneling calculation results that assist in a more comprehensive understanding of the tunneling process. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.     

Dissociative Electron Attachment to Hexachlorobenzene

Gas phase molecules of hexachlorobenzene (C₆Cl₆) were investigated by means of dissociative electron attachment spectroscopy (DEAS). Three channels of molecular negative ions decay have been identified: abstraction of Cl⁻ and Cl₂⁻ as well as electron detachment (τ_a∼250 μs at 343 K). All three channels exhibit temperature dependence. The adiabatic electron affinity estimated using a simple but typically accurate Arrhenius model (EA_a=1.6–1.9 eV) turns out to be much higher than the quantum-chemical predictions (EA_a=0.9–1.0 eV). We discuss the possible reasons behind the observed discrepancy.     

Electron energy loss spectrometry mapping

Among electron beam microanalytical techniques, electron energy loss spectrometry (EELS) offers unique advantages in terms of information content, sensitivity, limits of detection. This paper describes new methods and tools for acquiring families of spectra over many pixels on the specimen, i.e. spectrumimages, and for processing them. Applications in different fields of research, both in materials science and in life sciences, demonstrate the potential impact of the technique for characterizing nano-sized structures.     

电子的发现与化学键电子理论的发展

1892年,荷兰物理学家洛伦兹通过创建电子论,为原子内部电子的发现提供了理论基础。1897年,英国物理学家汤姆逊从阴极射线中发现了自由电子,打破了原子不可分的传统观念,由此引发了卢瑟福、玻尔等人对原子内部结构的探索。同时,化学家们将物理学中的电子引入化学,开始用原子结构中的电子来解释化学行为,提出了化学键的电子理论,推动了化学键理论的发展。     

Polymerization Initiated by Organic Electron Donors

Polymerization reactions with organic electron donors (OED) as initiators are presented herein. The metal‐free polymerization of various activated alkene and cyclic ester monomers was performed in short reaction times, under mild conditions, with small amounts of organic reducing agents, and without the need for co‐initiators or activation by photochemical, electrochemical, or other methods. Hence, OED initiators enabled the development of an efficient, rapid, room‐temperature process that meets the technical standards expected for industrial processes, such as energy savings, cost‐effectiveness and safety. Mechanistic investigations support an electron‐transfer initiation pathway that leads to the reduction of the monomer.     

Electron transfer networks

In this paper, we study electron transfer networks. These are generalisations of electron transport chains, and consist of a set of substrates which can exist in reduced and oxidised forms. The reduced forms can transfer electrons to the oxidised forms, and there are some electron inflow and outflow processes. We show that under mild assumptions, such systems can have only very simple behaviour, with a single globally stable equilibrium. To prove this we show that the Jacobian of the system has negative logarithmic norm in an appropriate norm. From this result, uniqueness and global stability of any equilibrium follows. The results extend, with only minor modifications, to binary interconversion networks, where the only allowed reactions are interconversions between substrates, and inflow/outflow processes.