微生物胞外电子传递效率的合成生物学强化

电活性微生物(产电微生物和亲电微生物)通过与外界环境进行双向电子和能量传递来实现多种微生物电催化过程(包括微生物燃料电池、微生物电解电池、微生物电催化等),从而实现在环境、能源领域的广泛应用,并为开发有效且可持续性生产新能源或大宗精细化学品的工艺提供了新机会。但是,电活性微生物的胞外电子传递效率比较低,这已经成为限制微生物电催化系统在工业应用中的主要瓶颈。以下综述了近年来利用合成生物学改造电活性微生物的相关研究成果,阐明了合成生物学如何用于打破电活性微生物胞外电子传递途径低效率的瓶颈,从而实现电活性微生物与环境的高效电子传递和能量交换,推动电活性微生物电催化系统的实用化进程。     

微生物电合成-电能驱动的CO_2固定

CO_2代表着地球上最广泛的可再生资源,通过生物固碳途径将CO_2转化为有机物,是生产生物燃料和生物基化学品的重要方向,由于能量供给不足和微生物自身生理代谢的限制,生物固碳效率还有待提高.利用电能驱动微生物还原CO_2是实现CO_2高效转化的新策略,被称为微生物电合成.本文从电合成微生物种类、胞外电子传递、电极材料等方面综述了微生物电合成的研究进展,并对微生物电合成的未来研究方向进行了展望.     

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。     

吸收胞外电子的电活性微生物

可吸收胞外电子的电活性微生物(Electroactive microorganisms,EAMs)可利用胞外固态载体的电子将二氧化碳或其他氧化态物质还原成胞外有机物、还原态无机物或自身生命活动所需的有机物。该类EAMs的出现拓宽了人们对微生物多样性的认识,在生物质能合成、污染物治理与化学物质检测等方面具有重要的应用价值。本文介绍了代表性的可吸收胞外电子EAMs的物质转化与电能转化率等基本特性,重点阐述该类EAMs基于膜蛋白的直接吸收电子机制,及基于电子穿梭体的间接吸收电子机制,提出了其在微生物电合成系统与微生物传感器中的应用前景,并从EAMs机理研究、生物膜微观机制及工程应用的角度展望其今后的研究方向。     

基于电活性微生物的芳香烃类污染物转化机制研究进展

芳香烃类化合物(aromatic hydrocarbon compounds)是一类基于苯环结构的有机物,广泛分布在自然环境中,难以自然降解、易被生物积累,且有很大的环境危害性。生物法是有机化合物转化降解的主流工艺,而电活性微生物(electroactive microorganisms, EAM)因其独特的胞外电子传递(extracellular electron transfer, EET)能力和生理代谢模式在芳香烃类化合物污染修复领域具有巨大的应用潜力。电活性微生物可以通过还原脱卤、脱硝与氧化开环过程相结合的方式,最终实现芳香烃类污染物的降解矿化。本文重点综述了电活性微生物降解芳香烃类污染物过程中主要还原/氧化反应机理,归纳了电活性微生物高效还原脱卤、脱硝的关键酶活、代谢途径及转化机理,分析了不同含氧条件下电活性微生物开环方式及降解代谢途径,并通过调控微生物胞外聚合物与添加导电材料等途径来提升电活性微生物的胞外电子传递过程,总结了电极电位、电极材料、电解液性质及温度等环境因子对芳香烃类化合物降解的影响,探讨了芳香烃类污染物的强化生物降解策略的可行性。最后,展望了电活性微生物降解技...     

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。     

分子生物学方法提高电活性微生物胞外电子传递效率的研究进展*

微生物细胞与电极之间的胞外电子传递效率是限制微生物电化学技术发展的关键因素,而分子生物学的发展为提高胞外电子传递效率带来了光明前景。从四种具有代表性的纯培养电活性微生物(奥奈达希瓦氏菌、铜绿假单胞菌、硫还原地杆菌和工程大肠杆菌)和混合培养电活性微生物出发,综述了利用分子生物学手段改造几种电活性微生物的研究成果,阐明了针对特异的电活性微生物,如何采取相应的分子生物学手段提高其胞外电子传递的效率,并展望了未来的研究方向。     

一株促甲烷氧化假单胞菌Pseudomonas putida P7的分离及电活性特征

微生物胞外呼吸是厌氧环境中控制性能量代谢方式,直接驱动着C、N、S、Fe等关键元素的生物地球化学循环。微生物纳米导线（Microbial nanowires）的发现,被认为是微生物胞外呼吸的里程碑事件,推动了电微生物学（Electromicrobiology）的形成与发展。微生物纳米导线是一类由微生物合成的,具有导电性的纤维状表面附属结构。通过细菌纳米导线,微生物胞内代谢产生的电子可以长距离输送到胞外受体或其他微生物,改变了电子传递链仅仅局限于细胞胞内的认识,从而大大拓展了微生物-胞外环境互作的范围。微生物纳米导线的良好导电性,赋予了其作为天然纳米材料的广阔应用前景。目前,微生物纳米导线的导电机制、生态功能及其在生物材料、生物能源、生物修复及人体健康多领域的应用,已经成为新兴电微生物学的前沿与热点。然而,微生物纳米导线的生物学、生态学功能尚不清楚,它的电子传递机制仍存在分歧。本文在系统性总结微生物纳米导线性质、功能的基础上,以Geobacter sulfurreducens和Shewanella oneidensis纳米导线为模型,详细阐述了纳米导线的组成与结构、表征与测量方法、导电理论（类金属导电学说与电子跃迁学说）及其潜在的应用,最后提出了未来微生物纳米导线研究的重点方向、挑战与机遇。     

电活性微生物胞外聚合物的特征与应用

电活性微生物是一类能够通过直接接触、导电菌毛或氧化还原介质与电极或者其他细胞进行胞外电子传递的微生物。而在这个过程中,胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)扮演着重要的角色。EPS是微生物生长过程中通过细胞裂解、水解分泌的高分子聚合物的混合物,主要由蛋白质、多糖和腐殖质等物质组成。来自电活性微生物的EPS的不同组成成分和特性会对EPS的电活性以及电活性微生物胞外电子传递产生一定的影响,同时在环境应用方面发挥重要作用。因此,为了更全面了解电活性微生物EPS的电活性及其对电活性微生物胞外电子传递的作用,本文总体介绍了电活性微生物EPS的电活性的直接表征方法,再从组成成分、化学性质、物理性质和空间分布4个方面综述了其对EPS电活性的影响及其在电子传递中的作用,介绍了当前电活性微生物EPS在染料废水脱色、重金属吸附、有机污染物的生物转化和渗滤液管理等方面的环境应用,并从表征方法、试验规模和互作机理研究等角度展望了未来的研究方向。     

微生物种间直接电子传递机理及应用研究进展

微生物胞内产生的电子转移到其他电子受体而获得能量的过程称为微生物胞外电子传递,其中,另一微生物作为电子受体时发生的电子传递称为微生物种间电子传递。根据微生物种间电子传递机制,可分间接种间电子传递和种间直接电子传递。由于种间直接电子传递不需要其他物质介导,因此较间接种间电子传递效率更高、能量利用更高。本文系统阐述了微生物进行胞外电子传递的机理及应用,重点分析了种间直接电子传递机理,并概述种间直接电子传递应用领域,为寻找更多电连接的微生物群落以及应用微生物提供参考。     

强化产电微生物与电极间电子传递速率的研究进展

产电微生物是微生物燃料电池、电解池和电合成等微生物电化学技术(Microbial electrochemical technologies,METs)的研究基础。产电微生物与电极界面间的胞外电子传递(Extracellular electron transfer,EET)效率低以及生物被膜形成能力弱限制了METs在有机物降解、电能生产、海水淡化、生物修复和生物传感等方面的应用。因此,强化产电微生物与电极界面间的相互作用是过去几年的主要研究热点。针对近年的研究,本文系统概述了通过改造产电微生物来增强微生物-电极间相互作用的各种策略,重点分析了这些策略的适用性和局限性,并展望了强化产电微生物-电极界面作用在微生物电化学技术利用方面的研究前景。     

Rapid and highly efficient genomic engineering with a novel iEditing device for programming versatile extracellular electron transfer of electroactive bacteria

The advances in synthetic biology bring exciting new opportunities to reprogram microorganisms with novel functionalities for environmental applications. For real-world applications, a genetic tool that enables genetic engineering in a stably genomic inherited manner is greatly desired. In this work, we design a novel genetic device for rapid and efficient genome engineering based on the i ntron-encoded homing-endonuclease empowered genome editing (iEditing). The iEditing device enables rapid and efficient genome engineering in Shewanella oneidensis MR-1, the representative strain of the electroactive bacteria group. Moreover, combining with the Red or RecET recombination system, the genome-editing efficiency was greatly improved, up to approximately 100%. Significantly, the iEditing device itself is eliminated simultaneously when genome editing occurs, thereby requiring no follow-up to remove the encoding system. Then, we develop a new extracellular electron transfer (EET) engineering strategy by programming the parallel EET systems to enhance versatile EET. The engineered strains exhibit sufficiently enhanced electron output and pollutant reduction ability. Furthermore, this device has demonstrated its great potential to be extended for genome editing in other important microbes. This work provides a useful and efficient tool for the rapid generation of synthetic microorganisms for various environmental applications.     

合成生物学方法构建电活性大肠杆菌

电活性微生物具有独特的在细胞内外环境之间传递电子的能力。在对天然电活性微生物电子传递机制充分研究的基础上,通过合成生物学方法异源构建天然电活性微生物电子传递结构基础也可以将遗传背景清晰的非电活性大肠杆菌改造为电活性微生物。构建获得的工程化电活性大肠杆菌可以直接应用于微生物燃料电池和生物传感器等领域,同时也可以作为底盘细胞整合相应的目标产物合成通路实现电能驱动的生物合成。本文以合成生物学方法构建电活性大肠杆菌为主题,详细阐述天然电活性微生物电子传递的机理及结构基础,总结了工程化电活性大肠杆菌的构建策略、成功案例以及应用领域,并对合成生物学方法构建电活性大肠杆菌未来的研究方向进行了展望。     

Rewiring the respiratory pathway of Lactococcus lactis to enhance extracellular electron transfer

Lactococcus lactis, a lactic acid bacterium with a typical fermentative metabolism, can also use oxygen as an extracellular electron acceptor. Here we demonstrate, for the first time, that L. lactis blocked in NAD⁺ regeneration can use the alternative electron acceptor ferricyanide to support growth. By electrochemical analysis and characterization of strains carrying mutations in the respiratory chain, we pinpoint the essential role of the NADH dehydrogenase and 2-amino-3-carboxy-1,4-naphtoquinone in extracellular electron transfer (EET) and uncover the underlying pathway systematically. Ferricyanide respiration has unexpected effects on L. lactis, e.g., we find that morphology is altered from the normal coccoid to a more rod shaped appearance, and that acid resistance is increased. Using adaptive laboratory evolution (ALE), we successfully enhance the capacity for EET. Whole-genome sequencing reveals the underlying reason for the observed enhanced EET capacity to be a late-stage blocking of menaquinone biosynthesis. The perspectives of the study are numerous, especially within food fermentation and microbiome engineering, where EET can help relieve oxidative stress, promote growth of oxygen sensitive microorganisms and play critical roles in shaping microbial communities.     

人工电活性微生物菌群的设计与应用

包括产电菌群和噬电菌群的人工电活性微生物菌群(synthetic electroactive microbial consortia)通过菌种间的物质能量级联反应介导化学能与(光)电能间的相互转化，其可利用底物来源广泛、双向电子传递速率快、环境稳定性强，在清洁电能开发、废水处理、环境修复、生物固碳固氮以及生物燃料、无机纳米材料、高聚物等高值化学品合成等多个领域具有广泛的应用前景。针对人工电活性微生物菌群设计、构建与应用，本文总结电活性微生物菌群界面电子传递和种间电子传递机制，概括基于“劳力分工”原理设计构建人工电活性微生物菌群物质能量级联反应基本架构，总结菌群关系与菌群生态位优化等人工电活性微生物菌群工程化策略，分类列举人工电活性微生物菌群在利用廉价生物质产电、生物光伏固碳产电，光驱噬电生物菌群固氮等相关应用。最后对人工电活性微生物菌群未来研究方向进行了展望。     

黄素介导的胞外电子转移研究与工程改造*

产电微生物的胞外电子转移在能源、环境等诸多领域有着非常重要的应用价值。希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)作为模式产电微生物,其电催化系统引起了广泛的研究。黄素作为S. oneidensis重要的电子载体,其介导的胞外电子转移是电子传递过程中的一个限速步骤。然而自然环境中野生型S. oneidensis的黄素分泌量极低,对其工程改造也存在一定的局限性,因而严重阻碍了胞外电子的传递过程,这已成为限制其电子转移的主要瓶颈。基于S. oneidensis黄素介导的电子转移机制,系统地从黄素的合成路径及转录调控的角度阐明了黄素合成的调控因素,并综述近年来利用代谢工程、合成生物学以及电极材料修饰等方法来提高黄素介导电子转移的工程化策略,未来可利用一些系统的研究方法和表达工具来加速产电微生物黄素介导的胞外电子转移。