半导体矿物介导非光合微生物利用光电子新途径

自然界中微生物按其能量代谢途径主要分为两种:光能营养微生物和化能营养微生物.化能营养微生物作为非光能营养微生物长期被排除在以日光为能量来源的能量利用途径之外.本文介绍了一种新的微生物能量利用途径,即非光能营养微生物通过半导体矿物光催化作用来利用太阳能进行生长.实验室模拟体系中,金属氧化物、金属硫化物等天然半导体矿物在模拟日光激发下产生的光电子促进了化能自养与异养微生物的生长.研究结果表明微生物的生长与光子能量和光子数量密切相关,同时不同波长光辐照下的微生物生长情况与矿物的光吸收谱相吻合.这一能量利用途径的光能-生物能转化效率为0.13‰-1.90‰.在含有天然半导体矿物与天然微生物的红壤体系中,进一步发现半导体矿物光催化能够明显改变环境微生物的种群结构.已有的研究揭示了一种新发现并极有可能长期在地球上存在的微生物能量利用途径,即通过自然界中半导体矿物日光催化作用产生的光电子能够促进非光能营养微生物的生长代谢活动.     

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。     

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。     

微生物纳米导线的导电机制及功能

微生物种间直接电子传递是指在厌氧条件下,一种微生物将电子直接传递给另外一种微生物,将两种不同微生物的代谢途径耦合在一起,以达到互养共生的目的。细菌-古菌之间的直接电子传递是其物质转换与能量代谢的新途径和新调控机制,直接参与甲烷的合成以及与硫酸盐还原耦合的厌氧甲烷氧化,在驱动碳和硫的地球化学转化与循环中起着十分重要的作用。目前研究结果认为细菌-古菌之间的直接电子传递主要是由含多个血红素的C型细胞色素介导的,这些细胞色素能形成不间断的胞外电子传递途径,以电子多步跃迁机制在细菌和古菌的细胞质膜之间传递电子。     

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,...     

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。     

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。     

产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展

新型产电微生物(Electricigens)的发现,使得微生物燃料电池概念的内涵发生了根本性的变化,展现了广阔的应用前景。这种微生物能够以电极作为唯一电子受体,把氧化有机物获得的电子通过电子传递链传递到电极产生电流,同时微生物从中获得能量而生长。这种代谢被认为是一种新型微生物呼吸方式。以这种新型微生物呼吸方式为基础的微生物燃料电池可以同时进行废水处理和生物发电,有望可以把废水处理发展成一个有利可图的产业,是MFC最有发展前景的方向。     

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。     

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。     

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。     

Electron transfer mechanisms between microorganisms and electrodes in bioelectrochemical systems

Microbes have been shown to naturally form veritable electric grids in which different species acting as electron donors and others acting as electron acceptors cooperate. The uptake of electrons from cells adjacent to them is a mechanism used by microorganisms to gain energy for cell growth and maintenance. The external discharge of electrons in lieu of a terminal electron acceptor, and the reduction of external substrates to uphold certain metabolic processes, also plays a significant role in a variety of microbial environments. These vital microbial respiration events, viz. extracellular electron transfer to and from microorganisms, have attracted widespread attention in recent decades and have led to the development of fascinating research concerning microbial electrochemical sensors and bioelectrochemical systems for environmental and bioproduction applications involving different fuels and chemicals. In such systems, microorganisms use mainly either (1) indirect routes involving use of small redox-active organic molecules referred to as redox mediators, secreted by cells or added exogenously, (2) primary metabolites or other intermediates, or (3) direct modes involving physical contact in which naturally occurring outer-membrane c-type cytochromes shuttle electrons for the reduction or oxidation of electrodes. Electron transfer mechanisms play a role in maximizing the performance of microbe?Celectrode interaction-based systems and help very much in providing an understanding of how such systems operate. This review summarizes the mechanisms of electron transfer between bacteria and electrodes, at both the anode and the cathode, in bioelectrochemical systems. The use over the years of various electrochemical approaches and techniques, cyclic voltammetry in particular, for obtaining a better understanding of the microbial electrocatalysis and the electron transfer mechanisms involved is also described and exemplified.     

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。     

Exocellular electron transfer in anaerobic microbial communities

Exocellular electron transfer plays an important role in anaerobic microbial communities that degrade organic matter. Interspecies hydrogen transfer between microorganisms is the driving force for complete biodegradation in methanogenic environments. Many organic compounds are degraded by obligatory syntrophic consortia of proton-reducing acetogenic bacteria and hydrogen-consuming methanogenic archaea. Anaerobic microorganisms that use insoluble electron acceptors for growth, such as iron- and manganese-oxide as well as inert graphite electrodes in microbial fuel cells, also transfer electrons exocellularly. Soluble compounds, like humic substances, quinones, phenazines and riboflavin, can function as exocellular electron mediators enhancing this type of anaerobic respiration. However, direct electron transfer by cell-cell contact is important as well. This review addresses the mechanisms of exocellular electron transfer in anaerobic microbial communities. There are fundamental differences but also similarities between electron transfer to another microorganism or to an insoluble electron acceptor. The physical separation of the electron donor and electron acceptor metabolism allows energy conservation in compounds as methane and hydrogen or as electricity. Furthermore, this separation is essential in the donation or acceptance of electrons in some environmental technological processes, e.g. soil remediation, wastewater purification and corrosion.     

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。     

Biomineralization of endolithic microbes in rocks from the McMurdo Dry Valleys of Antarctica: implications for microbial fossil formation and their detection

In some zones of Antarctica's cold and dry desert, the extinction of cryptoendolithic microorganisms leaves behind inorganic traces of microbial life. In this paper, we examine the transition from live microorganisms, through their decay, to microbial fossils using in situ microscopy (transmission electron microscopy, scanning electron microscopy in back-scattered electron mode) and microanalytical (energy dispersive X-ray spectroscopy) techniques. Our results demonstrate that, after their death, endolithic microorganisms inhabiting Commonwealth Glacier sandstone from the Antarctica McMurdo Dry Valleys become mineralized. In some cases, epicellular deposition of minerals and/or simply filling up of empty moulds by minerals leads to the formation of cell-shaped structures that may be considered biomarkers. The continuous deposition of allochthonous clay minerals and sulfate-rich salts fills the sandstone pores. This process can give rise to microbial fossils with distinguishable cell wall structures. Often, fossilized cell interiors were of a different chemical composition to the mineralized cell walls. We propose that the microbial fossil formation observed was induced by mineral precipitation resulting from inorganic processes occurring after the death of cryptoendolithic microorganisms. Nevertheless, it must have been the organic template that provoked the diffusion of mineral elements and gave rise to their characteristic distribution pattern inside the fossilized cells.