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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

氧化物半导体薄膜的光电效应及其应用

20世纪是电子产业的世纪,21世纪将是“光子”产业的时代.有关光子与电子的耦合行为,其诱发的化学、物理和生物过程以及应用将成为学术界和产业界最受关注的研究领域.近年,随着成膜技术、纳米粒子技术、激光技术以及测定表征技术(如STM、AFM和显微拉曼等)的发展,光电化学的研究进入了一个崭新的时期并显示出极大的应用前景.这些研究都属于多学科交叉的前沿学科.现在,虽然从基础到应用都还处于初期研究阶段,但已崭露头角.进一步的研究不仅可以使其在基础领域有较大的学术突破,而且在新能源开发、信息处理、环境保护、新型太阳能电池等领域可能导致许多应用价值很高的新技术的诞生.它将成为21世纪一个重要的研究和产业领域.本文将着重介绍氧化物半导体薄膜光电化学研究领域的一些新进展.     

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.     

Fullerene Derivatives Functionalized with Diethylamino‐Substituted Conjugated Oligomers: Synthesis and Photoinduced Electron Transfer

Diethylamino‐substituted oligophenylenevinylene (OPV) building blocks have been prepared and used for the synthesis of two [60]fullerene–OPV dyads, F‐D1 and F‐D2 , which exhibit different conjugation length of the OPV fragments. The electrochemical properties of these acceptor–donor dyads have been studied by cyclic voltammetry. The first reduction is always assigned to the fullerene moiety and the first oxidation centered on the diethylaniline groups of the OPV rods, thus making these systems suitable candidates for photoinduced electron transfer. Both the OPV and the fullerene‐centered fluorescence bands are quenched in toluene and benzonitrile, which suggests the occurrence of photoinduced electron transfer from the amino‐substituted OPVs to the carbon sphere in the dyads in both solvents. By means of bimolecular quenching experiments, transient absorption spectral fingerprints of the radical cationic species are detected in the visible (670 nm) and near‐IR (1300–1500 nm) regions, along with the much weaker fullerene anion band at λ_max=1030 nm. Definitive evidence for photoinduced electron transfer in F‐D1 and F‐D2 comes from transient absorption measurements. A charge‐separated state is formed within 100 ps and decays in less than 5 ns.     

Wettability‐Regulated Extracellular Electron Transfer from the Living Organism of Shewanella loihica PV‐4

C‐type cytochromes located on the outer membrane (OMCs) of genus Shewanella act as the main redox‐active species to mediate extracellular electron transfer (EET) from the inside of the outer membrane to the external environment: the central challenge that must be met for successful EET. The redox states of OMCs play a crucial role in dictating the rate and extent of EET. Here, we report that the surface wettability of the electrodes strongly influences the EET activity of living organisms of Shewanella loihica PV‐4 at a fixed external potential: the EET activity on a hydrophilic electrode is more than five times higher than that on a hydrophobic one. We propose that the redox state of OMCs varies significantly at electrodes with different wettability, resulting in different EET activities.