一株单环刺螠肠道电活性希瓦氏菌Shewanella marisflavi的生理学特性

【目的】探究以单环刺螠为代表的海洋环节动物肠道中电活性微生物的存在情况,并表征其生理学及电化学特性。【方法】采用平板划线法、16S rRNA基因测序技术分离纯化菌株并进行菌株鉴定。利用扫描电镜表征菌株形态。高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)检测其无氧呼吸底物氧化及产物生成情况。通过菲啰嗪和甲醛肟显色法检测菌株的异化Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)还原能力。借助单室微生物燃料电池(single-chamber microbial fuel cells,SCMFCs)及循环伏安法检测菌株的电化学活性。【结果】从单环刺螠肠道中成功分离得到了一株兼性厌氧菌,16S rRNA基因序列比对结果显示该菌株与Shewanellamarisflavi的相似性达99.93%。扫描电镜结果显示其为杆状,长约2μm,宽度约为0.5μm。HPLC检测结果表明,该菌能以乳酸钠为电子供体,富马酸为电子受体进行无氧呼吸并伴随代谢产物乙酸钠和琥珀酸产生。菲啰嗪和甲醛肟显色法结果证实,该菌具有异化铁、锰还原能力。单室MFCs检测结果发现该菌的最大电流输出密度为146 mA/m2,循环伏安法检测结果显示该菌在0.14 V和–0.51 V位置处分别存在氧化峰和还原峰。【结论】本研究结果证实以单环刺螠为代表的海洋环节动物肠道中存在以Shewanella marisflavi UU-3-2为代表的电活性微生物。表明电化学活性微生物在海洋环节动物肠道中广泛存在。     

苜蓿中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)LuxR家族转录因子ExpR调节motC操纵子的表达

目前已知苜蓿中华根瘤菌(S.meliloti)Rm1021 ExpR 突变导致胞外多糖Ⅱ(EPSⅡ)的过量表达,而胞外多糖是根瘤菌成功侵染宿主植物形成有效根瘤必需的物质。软琼脂板实验发现ExpR 突变株运动能力有缺陷。但是鞭毛染色实验并没有检测到突变株的鞭毛与野生型有什么不同。通过启动子-lacZ融合子进一步研究突变株中基因表达的差异发现,ExpR以细胞密度依赖的方式调节motC操纵子的表达。由此可见,在苜蓿中华根瘤菌中,ExpR同时参与了胞外多糖Ⅱ的合成和细胞运动能力的调节。     

铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4诱导水合氧化铁形成蓝铁矿的过程

【目的】研究铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4在细胞外诱导形成含铁矿物的矿物相、化学成分和形貌结构等特性及其变化,深化对铁还原细菌细胞外诱导矿化过程的认识。【方法】在以30 mmol/L乳酸钠为电子供体,10 mmol/L水合氧化铁为电子受体,[HCO_3~–]为30 mmol/L,[PO_4~(3–)]为5 mmol/L条件下,30°C恒温下厌氧培养,进行细菌生长和细胞外诱导矿化实验,定期采样测量反应体系的pH、生物量、Fe(Ⅱ)浓度;采用激光拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X-射线衍射(XRD)等方法对不同时间点的矿化产物进行分析。【结果】MR-4在还原Fe(Ⅲ)的过程中,细胞快速生长,表明MR-4的Fe(Ⅲ)还原和乳酸氧化过程相互耦合,从而进行细胞生长,并在细胞外诱导矿物形成。对不同阶段矿化产物的综合分析表明,反应进行到约8 d时,无定形-弱结晶的水合氧化铁部分地转化为纳米尺寸的磁铁矿晶体颗粒;约16 d时,反应体系中开始出现蓝铁矿晶体颗粒;约20 d后,几乎所有矿物转化为纤维状或者叶片状的蓝铁矿。【结论】铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4细胞外诱导矿化过程受环境条件控制,当以乳酸钠和水合氧化铁分别作为电子供体和受体,相对高的[PO_4~(3–]/[HCO_3~–](1:6)时,水合氧化铁先转化为磁铁矿,最后大量转化为蓝铁矿。本研究为全面认识铁还原细菌的生物诱导矿化过程和评估其参与铁元素地球化学循环提供了新的数据。     

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。     

生物地球化学锰循环中的微生物胞外电子传递机制

微生物是生物地球化学元素循环的重要驱动者,在锰等变价金属元素的氧化还原过程中起着至关重要的作用。近年来,Mn(Ⅲ)的发现以及在一些环境中的广泛存在,丰富了人们对Mn(Ⅲ)以及自然界锰循环过程的认识。研究发现,锰的生物地球化学循环,尤其是锰还原过程,与微生物胞外电子传递紧密相关,且目前已知的5种胞外电子传递机制均与锰还原有关联。因此,本文综述了锰的生物地球化学循环及其意义,并从微生物胞外电子传递的机制、微生物介导锰氧化、微生物介导锰还原等3个方面来介绍参与锰循环的微生物多样性;以及微生物地球化学锰循环的环境意义。对微生物参与锰循环过程的研究不仅可以进一步丰富相关理论,同时也能推动生物除锰、污染物原位修复及生物冶金等应用领域的发展。     

产甲烷分离物中Clostridium spp.与Methanosarcina barkeri潜在的种间直接电子传递

【目的】革兰氏阴性菌Geobacter metallireducens可以与乙酸型产甲烷菌Methanosaeta harundinacea或Methanosarcina barkeri通过种间直接电子传递(DIET)还原CO2产甲烷。本实验室前期的研究发现Methanosarcina mazei和Geobacteraceae在铁还原富集培养中形成团聚体,可能存在直接电子传递。然而,革兰氏阳性菌(如Clostridium spp.)与产甲烷菌是否存在种间直接电子传递尚不明确。【方法】采用Hungate厌氧滚管法,以乙醇为唯一电子供体从铁还原富集培养体系中获得产甲烷分离物(S6)。通过T-RFLP及克隆文库分析群落多样性,结合循环伏安法等电化学方法研究产甲烷分离物的电活性。【结果】Clostridium spp.(与C.tunisiense相似性最高)和M.barkeri分别在S6细菌和古菌群落中占优势。S6与G.metallireducens共培养后铁还原和产甲烷能力未明显增加,Clostridium spp.可能与G.metallireducens类似,将电子直接传递给产甲烷菌M.barkeri产甲烷。此外,电化学检测发现,在用透析袋包裹电极阻碍微生物与电极表面通过直接接触形成生物膜的条件下,电流密度显著降低,并且循环伏安扫描无明显氧化还原峰。【结论】产甲烷分离物S6中存在直接电子传递途径。本工作提出在产甲烷分离物中占优势的革兰氏阳性菌Clostridium spp.和M.barkeri之间可能存在种间直接电子传递。     

铁锰氧化物提高巴斯德梭菌电子输出率

[背景]发酵型异化金属还原菌通过发酵获取能量,同时也具有一定的异化还原变价金属氧化物的能力,关于变价金属氧化物对发酵型异化金属还原菌电子输出率的影响还知之甚少。[目的]探究铁锰氧化物(Fe2O3/MnO2)对发酵型异化金属还原菌Clostridium pasteurianum电子输出率的影响。[方法]将不同浓度Fe2O3/MnO2添加到以葡萄糖为底物并接种5%C.pasteurianum的发酵体系中,利用电化学工作站检测C.pasteurianum电化学特性;以菲啰嗪(Ferrozine)显色法和甲醛肟法分别测定发酵体系中Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)含量;气相色谱、高效液相色谱检测发酵底物葡萄糖及代谢产物(乙酸、丁酸、CO2和H2)随发酵时间的变化情况;最后计算发酵过程的电子输出率。[结果]研究表明,接种C.pasteurianum的微生物燃料电池可以检测到电流的产生,最大电流密度为0.93 mA/m^2;随着发酵时间的推移,反应体系中Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的浓度逐渐增高;Fe2O3/MnO2的添加使发酵体系中葡萄糖消耗量提高了9.4%/7.7%,同时,乙酸产量提高了37.5%/25.0%,丁酸产量提高了22.7%/6.8%,氢气产量提高了21.6%/9.8%,而总的电子输出率则提高了24.27%/10.82%;添加铁锰氧化物的实验组pH值与对照组相比无显著差异。[结论]铁锰氧化物的添加可以提高C.pasteurianum的电子输出率,其原因可能是增加了葡萄糖消耗和缓冲pH值。研究结果为揭示变价金属氧化物影响发酵型异化金属还原菌电子输出的规律提供了证据,并进一步拓展了对变价金属氧化物与发酵型异化金属还原菌之间相互作用机制的认识。     

异化铁还原梭菌Clostridium bifermentans EZ-1产氢与电化学特性

【目的】从黄河三角洲滨海湿地土壤中获得同时具备产氢、产电以及异化铁还原能力的多功能菌株。【方法】通过厌氧分离技术从黄河三角洲土壤中分离得到纯菌株,16S r RNA基因测序后与数据库已有序列进行比对。利用革兰氏染色及扫描电镜观察菌株形态,并用气相色谱(gas chromatography,GC)和液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)检测其生理代谢底物和产物。通过添加不同形态铁氧化物检测该菌株Fe(Ⅲ)的还原能力。构建微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)检测该菌株的电化学活性。【结果】16S r RNA基因序列比对发现其与双酶梭菌Clostridium bifermentans的相似性达97.99%。革兰氏染色结果显示为阳性菌。能够利用葡萄糖为底物发酵产生氢气、二氧化碳、乙酸和丁酸。Fe(Ⅲ)还原能力检测发现,其不仅可以还原柠檬酸铁(FeC_6H_5O_7)中可溶性的Fe(Ⅲ),还可以还原无定形铁水铁矿(FeOOH)和晶型纳米磁铁矿(Fe_3O_4)中的Fe(Ⅲ)。此外,经MFCs检测发现,该菌具有电化学活性,最大电流输出密度可达6.5 m A/m~2,且在0.15 V位置存在氧化峰。【结论】本研究从土壤中成功分离得到了一株同时具有产氢、产电以及异化铁还原能力的多功能梭菌菌株,保藏并命名为Clostridium bifermentans EZ-1。     

伴生细菌在入侵种桉树枝瘿姬小蜂克服桉树抗性中的作用

【目的】桉树枝瘿姬小蜂是我国近年来发现的一种主要危害桉属树种的外来有害生物。本研究旨在通过探究中国桉树枝瘿姬小蜂主要伴生细菌在桉树枝瘿姬小蜂成功定殖中的作用。【方法】测定不同抗性品系桉树的次生代谢物质黄酮和单宁的含量以及易感品系桉树在枝瘿姬小蜂危害前后的含量变化。通过体外抑菌和化学物质降解实验,探究桉树枝瘿姬小蜂主要伴生细菌对抗虫性物质黄酮和单宁的耐受性及降解能力。【结果】抗性品系桉树的黄酮和单宁的含量明显高于易感品系,易感品系在桉树枝瘿姬小蜂危害后黄酮和单宁的含量显著提高;高浓度的黄酮和单宁会抑制桉树枝瘿姬小蜂伴生细菌的生长,在中低浓度黄酮和单宁的条件下,主要伴生细菌能够适应,并继续繁殖;桉树枝瘿姬小蜂伴生细菌具有一定的降解黄酮和单宁的能力,其中细菌Staphylococcus cohnii降解黄酮的能力比Pseudomonas geniculate稍强,而Bacillus wiedannii、Serratia macescens对单宁具有较强的降解能力。【结论】桉树枝瘿姬小蜂侵染桉树后,可以诱导桉树产生抗性,桉树产生大量的次生代谢物质来抵御桉树枝瘿姬小蜂的危害,而桉树枝瘿姬小蜂部分伴生细菌可降解桉树次生代谢物质来帮助小蜂克服植物抗性完成定殖。