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。     

促进电活性微生物产电呼吸能力的方法研究进展

产电呼吸是指电活性微生物(electroactive microorganisms,EAMs)以胞外固体电极作为电子受体的一种呼吸形式,在可再生能源利用和环境修复方面具有广阔的应用前景。能否进一步提高EAMs的产电呼吸能力是相关技术能否从实验室走向实际应用的核心,而提高产电呼吸能力的关键是加强EAMs与胞外固体电极间的电子传递能力。目前总结如何促进EAMs产电呼吸能力的综述文献极少。因此,本文从投加化学试剂、施加物理作用及改造生物基因3个方面总结了现有的促进EAMs产电呼吸能力的方法,介绍了每种方法的优势与缺陷,重点阐述了每种手段的作用机理及促进效果,并从实际应用和机理研究的角度展望了今后的研究方向。     

微生物胞外电子传递过程及其应用研究进展

电活性微生物的胞外电子传递在微生物电合成、矿物生物浸出、生物质能回收及污染物原位修复等方面表现出广阔的应用前景,因而受到研究者们的广泛关注。现综述近年来电活性微生物胞外电子传递过程及其应用的相关研究成果,指出该领域面临的主要问题和发展方向。未来应加强微生物胞外电子传递路径及分子机制等方面的研究,分离筛选更高效的电活性菌种,优化反应器工艺设计,拓宽电活性微生物的应用领域,提高相应设备的效率。     

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。     

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。     

群感效应在金黄色葡萄球菌与铜绿假单胞菌群体增殖中的作用

群感效应(quorum sensing,QS)是指微生物细胞通过感应细胞外信号分子的浓度从而感知菌群密度的大小,并依赖信号分子的浓度来调控基因表达的一种交流机制。金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)与铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)分别是革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌中典型的食源性致病菌,二者的QS系统在不同情况下的群体增殖中表现出竞争和协同作用,与毒素分泌、耐药性及被膜形成相关。本文中,笔者分别介绍了金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的群感效应系统,并概述了群感效应在两种微生物群体增殖中的作用,由于多种微生物种间关系调控和交流机制较为复杂,对两种微生物群体增殖特性和相互作用机制有待进一步研究。     

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。     

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。     

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。     

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。     

AHL类似物作为细菌群体感应系统促进剂的研究进展

应用N-酰基高丝氨酸内酯（N-acyl-L-homoserine lactones，AHL）介导的群体感应（quorum sensing，QS）系统调控生物膜形成和次级代谢物合成具有巨大的商业价值，但自然界中许多微生物能够产生群体淬灭（Quorum Quenching，QQ）酶，QQ酶能够降解天然AHL信号分子，使外源天然 AHL 信号分子的半衰期缩短，限制了天然AHL 信号分子的应用范围。化学合成的AHL类似物作为QS促进剂，通过与天然信号分子类似的结合方式形成转录二聚体，激活下游基因表达，但与天然AHL信号分子相比，化学合成的QS促进剂具有活性高、半衰期长等优点。本文综述了化学合成AHL类似物的设计思路、种类、作用机制及其在提高次级代谢物产量和生物浸矿方面的应用，并讨论了QS促进剂今后主要的研究方向，以期为QS促进剂的合成设计和实际应用提供参考。     

Extracellular Electron Transfer Between Birnessite and Electrochemically Active Bacteria Community from Red Soil in Hainan,China

The interplay between electrochemically active microorganisms (EAMs) and adjacent minerals universally occurs in natural environments, in which soil is an extremely typical and active one. We stimulated the extracellular electron transfer (EET) process between the bacterial community and birnessite in red soil (collected from Hainan, China) by constructing a microbial fuel cell equipped with synthetic birnessite cathode. Compared to graphite-cathode, the cell voltage of birnessite-cathode was increased by 22% when loading a 1000 Ω-resistance, indicating the EET between microbes and birnessite. Eleven genera of EAMs in red soil were confirmed through 16S rRNA analysis. Neither palpable novel mineral formation nor change of birnessite crystallinity was observed after reaction by Raman and SEM. As oxygen pumped into cathode chamber was the terminal electron acceptor, birnessite principally performed as an intermediate of holistic electron transfer process to favor the cathodic oxygen reduction.     

Effect of Cinnamon Oil on Quorum Sensing-Controlled Virulence Factors and Biofilm Formation in Pseudomonas aeruginosa

Quorum sensing (QS) is a system of stimuli and responses in bacterial cells governed by their population density, through which they regulate genes that control virulence factors and biofilm formation. Despite considerable research on QS and the discovery of new antibiotics, QS-controlled biofilm formation by microorganisms in clinical settings has remained a problem because of nascent drug resistance, which requires screening of diverse compounds for anti-QS activities. Cinnamon is a dietary phytochemical that is traditionally used to remedy digestive problems and assorted contagions, which suggests that cinnamon might contain chemicals that can hinder the QS process. To test this hypothesis, the anti-QS activity of cinnamon oil against P. aeruginosa was tested, measured by the inhibition of biofilm formation and other QS-associated phenomena, including virulence factors such as pyocyanin, rhamnolipid, protease, alginate production, and swarming activity. To this end, multiple microscopy analyses, including light, scanning electron and confocal microscopy, revealed the ability of cinnamon oil to inhibit P. aeruginosa PAO1 biofilms and their accompanying extracellular polymeric substances. This work is the first to demonstrate that cinnamon oil can influence various QS-based phenomena in P. aeruginosa PAO1, including biofilm formation.     

Biofilm and Quorum sensing mediated pathogenicity in Pseudomonas aeruginosa

The emergence of multidrug resistance has become an alarming and lifethreatening phenomenon for humans. Various mechanisms are involved in the development of resistance in bacteria towards antimicrobial compounds and immune system. Bacterial biofilm is a complicated, selfdefensive, rigid structure of bacteria crowded together to develop a selfrecessive nature, which enhances the ability to cause infections much easier in the living host. P. aeruginosa biofilm formation is supported by extracellular polymeric substances (EPS) such as exopolysaccharides, extracellular DNA (eDNA), proteins and biomolecules. Published evidences suggest that biofilm formation can also be the result of several other mechanisms such as cell signaling or communication. Bacterial biofilm is also regulated by strong intercellular communication known as Quorum Sensing (QS). It is a cellular communication mechanism involving autoinducers and regulators. In P. aeruginosa, Acyl Homoserine Lactone, the prime signaling molecule, controls approximately 300 genes responsible for various cellular functions, including its pathogenesis. The surrounding environment and metabolism have a specific effect on the biofilm and QS, thus, understanding the involvement of QS in the biofilm developing mechanism is still complicated and complex to understand. Therefore, this review will include basic knowledge of the biofilmforming mechanism and other regulatory factors involved in causing infections and diseases in the host organisms.     

Function of quorum sensing and cell signaling in the formation of aerobic granular sludge

Aerobic granular sludge (AGS) has recently attracted attention because of its excellent settling ability and treatment efficiency compared with traditional activated sludge. This review provides recent advances on the formation process of AGS and mainly analyzes the function of quorum sensing (QS) and cell signaling during AGS formation. QS and cell signaling play important roles in the formation of AGS. QS can accelerate the synthesis of extracellular polymeric substance (EPS) and increase microbial adhesion to the surface of AGS. Cell signaling can also promote the secretion of EPS and influence biofilm formation. Cyclic diguanylate (c-di-GMP), as a second messenger, acts an important role in granulation. C-di-GMP causes bacteria to adhere to each other and form a biofilm. Adding Ca²⁺ benefits bacterial growth and promotes c-di-GMP secretion. Adding Mn²⁺ reduces c-di-GMP content and triggers AGS disintegration. Finally, the review discusses the possible trends of AGS: QS and cell signaling can lay a theoretical foundation for the formation mechanism of AGS and would be of practical significance for its application in the future.     

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。     

奥奈达希瓦氏菌电活性生物被膜的研究进展

面对日益严峻的能源紧缺与环境污染形势,电活性微生物(electroactive microorganisms)的电催化过程为实现绿色生产提供了新的思路。奥奈达希瓦氏菌具有独特的呼吸方式和电子传递能力,在微生物燃料电池、增值化学品的生物电合成、金属废物处理和环境修复系统等领域有着广泛的应用。奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)电活性生物被膜是实现电活性微生物电子传递过程的优良载体,其形成过程十分复杂且受到多种因素的影响和调控,在增强细菌环境抗逆性、提高电子传递效率等多方面发挥着十分重要的作用。本文较为系统地综述了奥奈达希瓦氏菌生物被膜的形成过程、影响因素及其在生物能源、生物修复和生物传感中的相关应用,为进一步实现其在更多领域的应用提供了理论基础。