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(ES_red),ES_red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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

氧化亚铁硫杆菌的胞外电子传递研究

使用循环伏安、计时电流等电化学方法研究了氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans,At.f)的胞外电子传递机理.通过比较分别以亚铁离子和单质硫为电子供体培养的At.f的循环伏安曲线的还原峰可知,At.f具有胞外电子传递能力;恒压-0.4 V时,加入亚铁离子能够促进At.f的胞外电子传递;好氧条件比厌氧条件产生/变化的电流大1个数量级,说明At.f在好氧条件下具有较强的电化学活性.此外,采用X射线衍射、傅里叶变换红外光谱及扫描电子显微镜等对菌体的表面特征进行了分析.     

半导体-微生物界面电子传递及其在环境领域的应用

半导体-微生物复合体系在污染物深度降解、 合成有价化学品及元素生物地球化学循环等领域发挥着重要作用, 其界面反应过程的核心是电子转移. 本文重点阐述了微生物/半导体界面上微生物的种类和功能、 半导体的种类及光催化机制, 总结了半导体-微生物界面的直接和间接电子传递途径, 讨论了强化界面电子传递的方法以及半导体与微生物系统的稳定性, 介绍了近年来半导体-微生物复合体系在污染物转化、 化学品合成以及资源循环利用方面的应用现状, 以期为半导体-微生物复合体系的设计及其环境领域应用提供指导.     

微生物和含铁矿物之间的电子交换

含铁矿物常见于土壤中和地表下.在那里,它们以多种形式支撑微生物的生长和代谢,如作为微生物厌氧呼吸的电子受体、微生物自养生长的电子供体和能量来源、微生物细胞之间的电子导体和电子储存介质.微生物细胞膜套的物理化学性质决定其既不具有矿物渗透性,也不具备导电性.因此,微生物需要进化出特定的机制同胞外矿物交换电子（即胞外电子传导）.微生物胞外电子传导与常见的,用于有氧呼吸的微生物细胞电子传递链有着诸多本质区别.本文中,我们概述了微生物与胞外含铁矿物之间电子传导的分子机理,以及相关的微生物在生物修复污染物、生产新型纳米材料、生物采矿和生物能源中的应用.     

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.     

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。     

电生物还原降解二氯酚的动力学特性及功能菌解析

采用电辅助微生物(电生物)体系对二氯酚(2,4-DCP)进行了还原降解研究, 应用聚合酶链式反应-单链构象多肽技术(PCR-SSCP)对微生物群落结构进行解析, 并通过16S rRNA基因克隆及测序构建了系统进化树. 结果表明, 电生物体系对二氯酚的降解符合零级反应动力学特征, 体系中主要以肠球菌(Enterococcus)、 假单胞菌(Pseudomonas)和拟杆菌(Bacteroidales)为优势菌群, 这些菌群在电子传递中起着主要作用. 电生物体系中存在着电极与细胞色素c和脱氢酶的辅酶(NAD)及污染物间的逆向电子传递途径, 可实现电极-微生物-污染物多相界间的长程电子传递.     

基于电活性菌群的生物电催化体系的有效构筑及其强化胞外电子传递过程的应用

传统的电活性微生物(Electro-Active Bacteria,EAB)主导的胞外电子传递(Extracellular Electron Transfer,EET)效率较低,极大程度地限制了微生物电催化在环境及工业中的应用。为打破这一瓶颈,近年来多国科学家尝试开发先进的催化材料以强化生物电催化体系(Bio-Electrocatalytic System,BES)中的电子传递效能。借用材料科学、电微生物学及合成生物学技术等多学科手段尝试将传统无机催化材料及电活性微生物进行理性优化,将有望强化电子的传递通量和效率。这种优化升级推动了传统单一的无机催化材料向活体生物催化材料过渡,并有望朝着向更精细化、智能可控的先进材料升级改造,也为拓展先进材料的规模化应用提供更有利的技术支撑。本文对现阶段几种强化EET的有效手段用以有效构筑BES展开综述,包括了微生物-石墨烯改性复合材料、原位杂化光催化半导体材料自组装微生物、核/壳装配的生物材料及接种基因工程菌等内容,最后总结了微生物活体生物材料所面临的挑战及未来在环境应用中所面临的机遇。     

趋磁细菌的电化学活性研究

采用循环伏安和计时电流等电化学手段研究了趋磁细菌(Magnetospirillum magneticum AMB-1)的电化学活性.通过对比不同培养条件下的循环伏安曲线可知,培养3 d时的菌体具有较强的电化学活性,其氧化峰出现在0.1 V处,还原峰出现在-0.2 V处;溶解氧能够改变氧化峰的峰电位(0 V),并形成新的还原峰(-0.3 V);磁小体的生成则严重抑制趋磁细菌的胞外电子传递过程.实验结果表明,磁小体的形成与趋磁细菌的胞外电子传递有关.     

血红蛋白在类生物膜修饰电极上的直接电化学

使用掺合单壁碳纳米管(SWCNT)的不溶性表面活性剂双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)修饰玻碳电极,并将血红蛋白(Hb)固定在修饰膜中制得了稳定的固载Hb的修饰电极.循环伏安和交流阻抗测试表明,固定在电极上的Hb是一个受吸附控制的可逆电子传递过程.该氧化还原过程的CV扫描峰电位与溶液pH值成良好的线性关系,斜率39 mV/pH,表明在发生Hb直接电子传递反应的同时伴随有质子参与反应.掺合SWCNT的类生物膜修饰电极较之不掺合SWCNT的修饰电极对氧气的还原具有更好的催化作用.并以SWCNT掺合量为1 mg.mL-1的DDAB修饰电极性能最佳.     

血红蛋白在自组装单层修饰电极上的直接电化学研究

对于氧化还原蛋白质在电极界面上的直接电子转移的研究对于生物传感器的构建,生物材料的发展和生物系统的认识有很重要的作用~([1]).虽然许多方法已经实现了蛋白质的直接电子传递,这些方法多数侧重于生物传感器的构建,对如何通过控制蛋白质的吸附状态来实现直接电子传递并没有系统的报道.蛋白质在吸附到电极表面的过程中,许多因素都能影响蛋白质的电子传递,如蛋白质的取向,蛋白质的活性中心与电极的距离等.     

细胞色素c在Fe_2O_3修饰电极上的直接电化学和电催化特性

采用全氟磺酸树脂Nafion将金属氧化物Fe2O3颗粒细胞色素c(Cyt c)固定玻碳电极(GCE)表面,制备了Nafion-Cyt c-Fe2O3修饰的玻碳电极,构建了基于直接电子传递的过氧化氢生物传感器。在0.10mol/L pH7.0的磷酸盐缓冲溶液中,修饰电极的循环伏安曲线上显示出一对准可逆的氧化还原峰,式量电位为22mV。Cyt c在修饰电极表面的异相电子转移速率常数为1.21s-1。修饰后的电极对过氧化氢有良好响应,响应时间小于10s,电极的安培响应与过氧化氢浓度在2.0×10-6～3.0×10-3mol/L范围内成线性关系,检出限为1.0×10-6mol/L,米氏常数为1.35mmol/L,显示出较好的亲和力。     

1,4-二氧六环介质中辣根过氧化物酶电极的性能研究

用交联法制备辣根过氧化物酶(HRP)电极, 在1,4-二氧六环介质中研究其电化学行为。实验表明, 固定化的HRP在有机相中仍保持活性并可与电极进行直接电子传递, 因而能在没有其它电子传递体存在的条件下催化H~2O~2的电化学还原反应。当亚铁氰化物与酶共修饰至电极上之后, 它起着电子传递体的作用, 使HRP电极的性能大为改善。根据不同条件下得到的动力学参数, 讨论了影响酶电极性能的因素。     

电子转移途径中芳香族氨基酸的引入提高了细胞色素P450s的催化性能（英文）

细胞色素P450s是用于生物合成的多功能催化剂.在P450催化循环中,需要两个电子来还原血红素铁,并通过电子转移途径(eTPs)激活随后的还原,该步骤是反应的限速步骤.本文重新设计了巨大芽孢杆菌P450 BM3的e TPs,大幅提高了其催化性能.通过在P450 BM3的e TP中引入芳香族氨基酸,“最佳”变体P2H02(A399Y/Q403F)的催化效率比P450 BM3野生型催化效率提高了12.9倍(k_cat/K_M从65.8 L mol^-1 s^-1提高到913.5 L mol^-1 s^-1).分子动力学模拟和电子传递分析表明,在辅因子FMN和血红素之间引入的芳香族氨基酸可以显著提高电子转移速率和酶催化性能.同时,在电子传递途径中引入酪氨酸可以保护P450的催化中心,使其避免被氧化性中间产物所破坏,从而提高其催化效率.此外,引入芳香族氨基酸的策略被证明对其他P450(如CYP116B3)同样有效,改造后的酶表现出显著提高的催化效率.综上,本文策略有望拓展到其...     

复合菌体及单一菌体催化的微生物燃料电池产电机理初步研究

利用淡水沉积物作为接种源构建了微生物燃料电池,考察苯酚对该微生物燃料电池性能的影响.结果表明,在淡水沉积物接种的微生物燃料电池中,电流的产生是由富集在电极表面的细菌引起的.苯酚降低了细菌消耗葡萄糖的速率,并在加入相同量葡萄糖的情况下,延长了产电时间.另一方面,实验还研究了一株从沉积物微生物燃料电池中分离出的单菌株的产电情况.该菌株在微生物燃料电池中需要借助自身代谢产生有电极反应活性的中间产物才能产电.GC-MS分析表明,中间产物中有吩嗪类物质,该类物质可在该细菌细胞与石墨电极之间充当电子传递介体,实现电子从细胞向电极的传递.