典型胞外呼吸细菌的胞内电子转移机制研究进展

胞外呼吸在污染物的降解转化和微生物产电过程中具有重要作用。微生物进行胞外呼吸时,其电子受体多以固态形式存在于胞外,氧化产生的电子必须通过电子传递链从胞内经细胞周质转移到外膜。S.oneidensis MR-1与G.Sulfurreducens作为微生物燃料电池中最常用的模式菌株,是现阶段研究最深入和系统的胞外呼吸细菌,其胞内电子传递过程目前研究最为清楚。这两种胞外呼吸细菌的电子传递需多种细胞色素c的参与,S.oneidensis MR-1位于内膜及周质上的细胞色素c-Cym A和MtrA可将电子由内膜上的醌池通过周质到外膜蛋白MtrC和OmcA,MtrC和OmcA接收电子后可直接还原胞外受体,Type Ⅱ secretion system对外膜蛋白中的MtrC和OmcA起到了转运及定位的作用。而在G.sulfurreducens中,电子由MacA传递到PpcA,最终由外膜蛋白OmcB、OmcE、OmcS及OmcZ接受电子,并在Type Ⅳ pili的共同作用下将电子传递到胞外电子受体。本文最后指出目前对Shewanella与Geobacter胞内电子转移研究尚不清楚的地方提出展望。     

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。     

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。     

微生物胞外呼吸电子传递机制研究进展

胞外呼吸是近年来发现的新型微生物厌氧能量代谢方式,主要包括铁呼吸、腐殖质呼吸与产电呼吸3种形式。微生物胞外呼吸与传统的有氧呼吸、胞内厌氧呼吸存在显著差异。其电子受体多以固态形式存在于胞外;氧化产生的电子必须通过电子传递链从胞内转移到细胞周质和外膜,并通过外膜上的细胞色素c、纳米导线或自身产生的电子穿梭体等方式,最终将电子传递至胞外的末端受体。胞外呼吸的本质问题是微生物与胞外电子受体(铁/锰氧化物、固态电极或腐殖质等)的相互作用,即微生物如何将胞内电子传递至胞外受体。胞外呼吸的研究丰富了人们对微生物呼吸多样性的认识,同时在污染物原位修复及清洁生物能源提取方面具有重要应用前景,是当前研究的热点问题。总结了胞外呼吸类型和胞外呼吸菌的多样性,重点阐述了胞外呼吸的电子传递过程,并提出了其应用前景及今后的研究方向。     

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。     

微生物种间直接电子传递研究进展

一直以来氢气和甲酸被认为是微生物间电子传递的中间电子传递体。近年来的研究发现,微生物之间可以通过种间直接电子传递(DIET)来替代氢气/甲酸传递。DIET作为一种新发现的微生物间电子传递途径,其电子传递效率要高于传统的种间氢气/甲酸传递。DIET这一新发现改变了微生物互营生长代谢必须依赖氢气或甲酸等电子载体的传统认识,为今后研究微生物互营现象打开了新视角。虽然DIET研究取得了很大进展,但是目前对能够进行DIET的微生物种类、DIET机制及影响DIET的因素尚缺乏深入研究。本文首先概述了能形成DIET的微生物,然后重点分析了能够进行DIET的电子供体微生物胞外电子传递的机制和电子受体微生物直接利用胞外电子的分子机制,最后阐述了导电材料对DIET的影响,并提出了DIET今后的研究方向,旨在为DIET研究提供参考。     

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。     

生物工程强化微生物电合成转化CO_2的研究进展

微生物电合成(Microbial electrosynthesis,MES)可直接利用电能驱动微生物还原固定CO_2合成多碳化合物,为可再生新能源转化、精细化学品制备和生态环境保护提供新机遇。但是,微生物吸收胞外电极电子速率慢、产物合成效率低和产品品位不高,限制了MES实现工业化应用。在概述阴极电活性微生物吸收胞外电子的分子机制的基础上,重点综述近5年应用生物工程的理论和技术强化MES用于CO_2转化的策略与研究进展,包括改造和调控胞外电子传递通路和胞内代谢途径以及定向构建有限微生物混合培养菌群三方面,阐明了生物工程可有效突破MES中电子传递慢和可用代谢途径相对单一等瓶颈。针对目前生物工程在改进MES所面临的主要问题,从胞外电子传递机理研究、基因工具箱开发、组学技术与现代分析技术联用等角度展望了今后的研究方向。     

产电微生物Shewanella菌厌氧呼吸代谢网络研究进展

以模式菌株Shewanella oneidensis MR-1为代表的Shewanella菌属产电微生物广泛分布于自然水体环境中。作为兼性厌氧菌,Shewanella菌除了能进行有氧呼吸外,还能利用多种电子受体进行厌氧呼吸。通过多种细胞色素所组成的复杂电子传递网络,Shewanella菌不仅能利用渗入到周质空间的可溶性电子受体进行厌氧呼吸,更为特殊的是其能够借助电子的跨膜传递实现对胞外不溶性电子受体的异化还原代谢。本文概述了近年来Shewanella菌厌氧代谢途径的研究进展,探讨电子传递网络对Shewanella菌呼吸多样性及环境适应性的影响。     

金属还原菌希瓦氏菌厌氧呼吸能力及其在环境修复中的研究进展

Shewanella oneidensis MR-1是一种模式金属还原菌,它能够在厌氧条件下,将多种金属化合物和人工合成染料等作为电子受体还原代谢。因此,该菌常常被用于生态修复等研究。厌氧条件下,S.oneidensis MR-1能够将细胞质内或细胞内膜产生的电子通过定位于细胞内膜、细胞膜周质和细胞外膜上的c-血红色素蛋白或还原酶所组成的具有多样性的电子传递系统,最终传递到存在于细菌细胞外环境中的电子受体。通过对多种电子传递过程的介绍,进一步阐明其对污染物修复和纳米材料合成的机理,从而为未来对该类微生物的利用和开发提供更为充分的理论依据。     

微生物互营产甲烷过程中的种间电子传递

甲烷作为全球第二大温室气体,是典型的可再生清洁能源,也是碳循环中的重要物质组成。大气中约74%的甲烷由产甲烷古菌和其他微生物的互营产生,种间电子传递(interspecies electron transfer, IET)是微生物菌群降低热力学能垒、实现互营产甲烷的核心过程。IET可分为间接种间电子传递(mediated interspecies electron transfer,MIET)和直接种间电子传递(direct interspecies electron transfer, DIET)两种类型,其中MIET依赖氢气、甲酸等载体完成电子的远距离传输,而DIET则依赖导电菌毛、细胞色素c等膜蛋白,通过微生物的直接接触实现电子传递。本文将从IET的研究历程出发,从电子传递机制、微生物种类、生态多样性等方面对微生物互营产甲烷过程中的两种IET类型进行比较,最后对未来待探索的方向进行展望。本综述有助于加深对微生物互营产甲烷过程中IET的理解,为解决由甲烷引发的全球气候变暖等生态问题提供理论支撑。     

Source of electrons for extracellular Fe(III) reduction in iron-deficient bean roots

Iron-deficient Phaseolus vulgaris L. cv. Prelude developed a high reducing capacity for extracellular Fe(III) at the root surface. This reduction was competitively inhibited by Nitro-Blue Tetrazolium salt (Nitro-BT) which was deposited as a blue precipitate within the epidermis cells of the youngest root parts. Root respiration was not influenced by Nitro-BT. The intracellular reduction of Nitro-BT could largely be prevented by excess extracellular Fe(III)EDTA. Iron-sufficient control plants reduced both extracellular Fe(III)EDTA and intracellular Nitro-BT at a much slower rate. A role of cytosolic NADH or NADPH as direct electron donors for the enhanced Fe(III) reduction at the plasmalemma is indicated. NAD⁺-3-phosphate dehydrogenase activity was higher in preparations from iron-deficient root parts than in preparations from control root parts. Ferricyanide, dichlorophenolindophenol and phenazine methosulfate were also reduced at an increased rate by iron-deficient roots. We conclude that a trans-plasma membrane electron transfer, mediated by a membrane-bound reductase, is responsible for the reduction of extracellular Fe(III).     

The pH dependence of intramolecular electron transfer rates in sulfite oxidase at high and low anion concentrations

 The individual rate constants for intramolecular electron transfer (IET) between the Mo^VIFe^II and Mo^VFe^III forms of chicken liver sulfite oxidase (SO) have been determined at a variety of pH values, and at high and low anion concentrations. Large anions such as EDTA do not inhibit IET as dramatically as do small anions such as SO₄ ^2– and Cl^–, which suggests that specific anion binding at the sterically constrained Mo active site is necessary for IET inhibition to occur.IET may require that SO adopt a conformation in which the Mo and Fe centers are held in close proximity by electrostatic interactions between the predominantly positively charged Mo active site, and the negatively charged heme edge. Thus, small anions which can fit into the Mo active site will weaken this electrostatic attraction and disfavor IET. The rate constant for IET from Fe^II to Mo^VI decreases with increasing pH, both in the presence and absence of 50 mM SO₄ ^2–. However, the rate constant for the reverse process exhibits no significant pH dependence in the absence of SO₄ ^2–, and increases with pH in the presence of 50 mM SO₄ ^2–. This behavior is consistent with a mechanism in which IET from Mo^V to Fe^III is coupled to proton transfer from Mo^V–OH to OH^–, and the reverse IET process is coupled to proton transfer from H₂O to Mo^VI=O. At high concentrations of small anions, direct access of H₂O or OH^–to the Mo-OH will be blocked, which provides a second possible mechanism for inhibition of IET by such anions. Inhibition by anions is not strictly competitive, however, and Tyr322 may play an important intermediary role in transferring the proton when an anion blocks direct access of H₂O or OH^– to the Mo-OH. Competing H-bonding interactions of the Mo-OH moiety with Tyr322 and with the anion occupying the active site may also be responsible for the well-known equilibrium between two EPR-distinct forms of SO that is observed for the two-electron reduced enzyme. Received: 21 December 1998 / Accepted: 6 April 1999     

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。     

Mcc在脱色希瓦氏菌S12电极呼吸中的作用

【目的】研究脱色希瓦氏菌S12周质空间c型细胞色素Mcc的功能,进一步探索和补充微生物胞外电子传递过程的机制。【方法】借助自杀质粒敲除mcc基因,通过细胞浓度测定和激光共聚焦显微镜比较分析突变株和野生株之间的浮游细胞和生物膜的生长情况,并比较分析二者在微生物燃料电池电极还原、铁还原和胞外偶氮染料还原过程中的功能。【结果】Mcc缺失对铁还原和偶氮还原没有影响,但却造成电极呼吸活性下降34.1%;与野生株相比,mcc突变株的好氧生长和厌氧浮游细胞生长无明显影响,但却显著抑制了电极表面生物膜的形成。【结论】Mcc是希瓦氏菌S12电极呼吸过程中周质空间电子传递的重要组分之一,缺失会显著抑制其电极呼吸效率以及生物膜的形成。     

基于直接接触的微生物胞外电子传递

微生物电子传递在微生物的代谢繁殖和物质的生物地球化学循环中发挥着关键作用。其中基于直接接触的微生物胞外电子传递(Direct extracellular electron transfer,DEET)已成为微生物学、地球化学和生物物理学等学科共同关注的焦点,并在近几年取得了一系列重要发现和理论突破,包括微生物纳米导线、电缆细菌、微生物种间DEET等。伴随着这些新进展,更多的问题也需要研究者们在进一步的研究中解决,包括DEET的分子机制及其相关功能微生物种群等。不同学科理论和技术的交叉是进一步揭示DEET过程的关键。     

微生物种间电子传递的研究进展

种间电子传递可促进微生物发生共代谢,因而在地球生物化学循环和环境污染修复中具有重要意义。根据电子传递方式的不同可将种间电子传递分为直接种间电子传递（direct interspecies electron transfer,DIET）和间接种间电子传递（mediated interspecies electron transfer,MIET）,其中,直接种间电子传递由于易发生、效率高而受到更加广泛的关注。本文总结了近年来关于种间电子传递的研究进展,阐述了种间电子传递的途径,比较了DIET和MIET的优缺点,并对开发更多具有种间电子传递功能的微生物提出了建议,以期加深人们对于种间电子传递的理解,并对未来该领域的研究提供参考。