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。     

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。     

群感效应对电活性微生物胞外电子传递的影响

群感效应（quorum sensing,QS）是微生物之间以信号分子受体蛋白感知信号浓度变化,从而调控菌群的行为及功能,使其适应环境变化的信号通讯机制。电活性微生物（electroactive microorganisms,EAMs）能进行胞外电子传递,在可再生能源利用和环境修复方面具有广阔的应用前景。近年来,关于QS在EAMs胞外电子传递中的作用的研究日益增多。本文总结了QS对纯EAMs或混合产电菌群的直接或间接电子传递的影响效应及机制,阐述了基于QS的EAMs逻辑与门的构建及其应用前景,并从机制研究的角度展望其未来发展方向。     

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...     

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。     

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。     

微生物燃料电池中产电微生物的系统发育分析及筛选

对污水处理厂曝气池的产电微生物进行富集并利用纯培养法筛选,采用基于16S rRNA基因序列的系统发育分析方法研究了产电微生物的生物多样性,并基于三电极体系绘制出的循环伏安曲线鉴别出产电性能较强的纯菌株。结果表明,菌株F003、F042和F050与其系统发育关系最密切的有效发表种的典型菌株的16S rRNA基因序列存在较大差异,分别代表新的分类单元。之后又对所获得的38株菌株进行电化学测试活性,得出4株活性较强的菌株,其中菌株F010和F017的电化学活性比菌株F007和F051更为显著。     

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。     

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。     

矿物电子能量协同微生物胞外电子传递与生长代谢

微生物的电子传递过程在生命进化和生物地球化学循环中发挥着关键作用。近年来,随着微生物电子传递研究的深入开展,微生物纳米导线、导电生物被膜及种间电子传递等多种新型的微生物胞外电子传递机制不断被发现,微生物电子传递的距离也从纳米级拓展至厘米级。这些微生物的长距离电子传递过程环环相扣、相互协同,从而构成长距离电子传递网络,并在物质循环和能量转化中共同发挥作用。微生物长距离电子传递网络的结构功能及其调控机制已成为多个学科共同关注的焦点。本文以电子传递的距离为主线,对不同尺度的微生物长距离电子传递过程及网络研究的新进展进行综述,包括纳米尺度的电子传递网络（周质空间和外膜表层）、微米至毫米尺度的电子传递网络（纳米导线、细胞间电子和导电生物被膜）、厘米尺度的电子传递网络（电缆细菌）等,并分析了该研究现存的主要问题和下一步的发展方向,以期为进一步推进微生物长距离电子传递网络理论和应用研究提供科学参考。     

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。     

厌氧甲烷氧化微生物物质代谢与能量代谢研究进展

甲烷既是一种温室气体,也是一种潜在的能源物质,其源与汇的平衡对地球化学循环及工程应用均有重要意义。厌氧甲烷氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)过程是深海、湿地和农田等自然生境中重要的甲烷汇,在缓解温室气体排放方面发挥了巨大作用。AOM微生物的中枢代谢机制及其能量转化途径则是介导厌氧甲烷氧化耦合其他物质还原的关键所在。因此,本文从电子受体多样性的视角,主要分析了硫酸盐型,硝酸盐/亚硝酸盐型,金属还原型厌氧甲烷氧化微生物的生理生化过程及环境分布,并对近些年发现的新型厌氧甲烷氧化进行了梳理;重点总结了厌氧甲烷氧化微生物细胞内电子传递路径以及胞外电子传递方式;根据厌氧甲烷氧化微生物环境分布及反应特征,就其生态学意义及在污染治理与能源回收方面的潜在应用价值进行了展望。本综述以期深化对厌氧甲烷氧化过程的微生物学认知,并为其潜在的工程应用方向提供新的思路。     

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,...