Adv. Sci.∣工程化希瓦氏菌-碳纤维复合电极，增强能量与化学品生产
文献信息：
作者：Qijing Liu, Wenliang Xu, Qinran Ding, Yan Zhang, Junqi Zhang, Baocai Zhang, Huan Yu, Chao Li, Longhai Dai, Cheng Zhong, Wenyu Lu, ZhanYing Liu, Feng Li, Hao Song
发表时间：19 August 2024
https://doi.org/10.1002/advs.202407599
Advanced Science 影响因子：14.3
背景介绍
电活性微生物（EAMs）与电极之间的界面电子转移是众多生物电化学系统的基础，这些系统有着广泛的应用。然而，由于高跨膜和细胞-电极界面电子转移电阻，生物-电极界面的电子转移速率仍然很低。
本篇文章采用模块化工程策略构建希瓦氏菌-碳纤维复合电极，装饰细菌纤维素气凝胶-电聚合蒽醌以增强细胞-电极界面电子转移。首先，构建异源核黄素合成和分泌途径，以增加黄素介导的跨膜电子转移。其次，通过蛋白质工程策略筛选并优化外膜c-Cyts OmcF，以加速接触基础的跨膜电子转移。第三，构建装饰有细菌纤维素气凝胶和电聚合蒽醌的希瓦氏菌-碳纤维复合电极，以增强界面电子转移。
结果表明，工程化的希瓦氏菌-碳纤维复合电极的内阻降低至42 Ω，比野生型（WT）低480.8倍。最大功率密度达到4286.6 ± 202.1 mW m−2，比WT高出72.8倍。最后，工程化复合电极在生物电能收集、Cr6+还原和CO2还原方面展现出优越的能力。这项研究表明，增强跨膜和细胞-电极界面电子转移是提高EAMs胞外电子转移的一个有前景的方法。
图文解读
图1|模块化工程化希瓦氏菌-碳纤维复合电极，以增强能量与化学品生产
图文注解
采用模块化工程策略，包括增加黄素合成和分泌、重建OM c-Cyts导电通道，以及构建基于细菌纤维素的气凝胶涂层蒽醌混合阳极，以增强细胞-电极界面电子转移速率。
i) 为解决内源电子穿梭黄素的生物合成和分泌限制，设计了来自枯草杆菌和铜绿假单胞菌的异源核黄素合成和传递途径，以增强黄素介导的跨膜电子转移。
ii) 为减轻希瓦氏菌物理绝缘的细胞膜问题，筛选并优化了来自硫酸盐还原地杆菌的外膜c型细胞色素OmcF，使用蛋白质工程策略加速接触基础的跨膜电子转移。
iii) 为解决细胞-电极界面高电子转移电阻的问题，开发了高效的细菌纤维素气凝胶涂层蒽醌混合电极，增强了阳极上电活性生物膜中活细胞的负载，从而增强了细胞-电极界面电子转移。为评估工程化复合电极在实际应用中的催化性能，进行了从稀薄酒糟中收集生物电、将Cr6+还原为Cr3+，以及在双室MFCs中将CO2电合成甲酸的实验。
图2|通过增加黄素合成和分泌，增强黄素介导的跨膜电子转移
文字概述
图2a展示了在S. oneidensis中构建黄素生物合成途径以加速黄素介导的间接电子转移的示意图。图2b显示了野生型和重组菌株（MC和MCO）产生的黄素浓度。图2c展示了这些菌株的功率密度曲线，表明重组菌株的功率密度显著高于野生型。图2d的循环伏安图显示了重组菌株中黄素的再氧化和还原峰。图2e和2f分别展示了CLSM图像和阳极生物膜的定量测量，显示了重组菌株在阳极表面的附着情况。图2g和2h分别展示了单细胞电流输出和EIS谱图，证明了黄素合成和分泌的增加降低了MFCs的内阻并提高了电子转移率。
图文注释
a) 构建黄素生物合成途径的示意图，以加速黄素介导的间接电子转移，包括异源表达核黄素合成基因簇ribADHEC以及黄素跨膜转运的孔蛋白OprF和Bfe，以及黄素介导的间接电子转移途径。
b) 野生型和重组菌株（MC和MCO）产生的黄素浓度。
c) 野生型和重组菌株（MC和MCO）的输出功率密度曲线。
d) 野生型和重组菌株（MC和MCO）的电流-电压曲线。
e) 野生型和重组菌株（MC和MCO）阳极生物膜的CLSM图像。
f) 野生型和重组菌株（MC和MCO）形成的阳极生物膜生物量。
g) 野生型和重组菌株（MC和MCO）的单细胞输出电流。
h) 野生型和重组菌株（MC和MCO）阳极的EIS谱Nyquist图。
i) 野生型和重组菌株（MC和MCO）的电子接受能力和电子捐赠能力。数据以平均值 ± 标准差（n = 3个生物学重复）呈现。
图3|通过重建OM c-Cyts导电通道，加速基于直接接触的跨膜电子转移
文字概述
图3a展示了外膜c-Cyts和黄素促进细胞到阳极的跨膜电子转移的示意图。图3b展示了野生型和突变体OmcF M1-M6的氨基酸序列和突变位点。图3c展示了突变菌株MCOF1-6的功率密度。图3d和3e展示了突变体OmcF M5与黄素分子之间的相互作用。图3f展示了菌株MCOF和MCOF1-6的zeta电位。图3g展示了包含基因（ribADEHC、bfe、oprF和omcF M5）和不同RBSs的重组菌株MCOF5和CR1-4的质粒。图3h-j展示了菌株MCOF5和CR1-4的功率密度曲线、单细胞电流输出和EIS分析，表明优化表达的突变体OmcF M5能有效地改善S. oneidensis的跨膜电子转移。
图文注释
a) 外膜c-Cyts和核黄素促进从细胞到阳极的跨膜电子转移的示意图。
b) 野生型和突变体OmcF M1-M6的氨基酸序列和突变位点。
c) 突变菌株MCOF1-6的功率密度。
d) c-Cyt OmcF M5和核黄素分子之间的相互作用。
e) OmcF M5和RF分子残基之间相互作用的2D展示。
f) 菌株MCOF和MCOF1-6的Zeta电位。
g) 重组菌株MCOF5和CR1-4的质粒，包括基因组合（ribADEHC、bfe、oprF和omcF M5）和不同的RBS（BBa_B0030、BBa_B0032、BBa_B0033、BBa_B0034、BBa_B0035、iGEM）。
h) 菌株MCOF5和CR1-4的输出功率密度曲线。
i) 重组菌株MCOF5和CR1-4的单细胞输出电流。
j) 重组菌株MCOF5和CR1-4的EIS分析。数据以平均值 ± 标准差（n = 3个生物学重复）呈现。
图4|通过构建装饰细菌纤维素气凝胶-电聚合蒽醌的希瓦氏菌-碳纤维复合电极，增强细胞-电极界面电子转移
文字概述
图4a展示了在碳毡阳极表面装饰CNFA和AQ后的界面电子转移过程的示意图。图4b-e展示了菌株CR1配备CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的功率密度曲线、CV曲线、电流输出、EIS分析以及电子接受能力和电子捐赠能力的分析。图4f-k展示了CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的电化学活性表面积、菌落形态的SEM和CLSM图像、生物膜的生物量分析以及单细胞电流输出。这些结果表明，装饰阳极具有更多的电化学活性位点和更多的活细胞负载，有效降低了细胞-电极界面电子转移阻力，并提高了界面电子转移率。
图文注释
a) 在碳纤维阳极表面装饰CNFA和AQ后界面电子转移过程的示意图。
b) 配备CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的CR1菌株的功率密度曲线。
c) 配备CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的CR1菌株的CV曲线。
d) 配备CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的CR1菌株的电流输出。
e) 配备CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的CR1菌株的EIS分析。
f) 配备CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的CR1菌株的电子接受能力和电子捐赠能力。
g) CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的电化学活性表面积。
h) 配备CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的CR1菌株菌落形态的SEM图像。
i) 配备CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的CR1菌株菌落形态的CLSM图像。
j) 配备CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的CR1菌株的生物质分析。
k) 配备CF和装饰阳极（CF/CNFA和CF/CNFA@AQ）的CR1菌株的单细胞输出电流。数据以平均值 ± 标准差（n = 3个生物学重复）呈现。
图5|在实际场景中应用构建的生物混合电极进行能量和化学品生产
文字概述
图5a展示了使用构建的生物电化学系统从稀薄残渣中回收电力的示意图。图5b展示了工程化生物杂交电极CF/CNFA@AQ-CR1与对照组的功率密度曲线。图5c展示了CF/CNFA@AQ-CR1在稀薄残渣中的库仑效率和COD去除效率。图5d展示了CF/CNFA@AQ-CR1和对照组的CLSM图像。图5e展示了使用构建的生物电化学系统降解Cr6+的示意图。图5f-g展示了CF/CNFA@AQ-CR1和对照组在MFCs中厌氧条件下的Cr6+浓度和Cr6+降解动力学常数。图5h展示了CF/CNFA@AQ-CR1和对照组的CLSM图像。图5i-l展示了使用构建的生物杂交电极通过电合成将CO2还原成甲酸盐的示意图，以及CF/CNFA@AQ-CR1和对照组的甲酸盐浓度、ATP浓度和NADH/NAD+比率以及法拉第效率。这些结果表明，构建的生物杂交电极在实际应用中表现出色，能有效从稀薄残渣中回收电力、还原Cr6+以及从CO2还原中合成化学品。
图文注释
a) 使用构建的BES从稀薄酒糟中回收电力的示意图。
b) 工程化生物混合电极CF/CNFA@AQ-CR1和对照组的功率密度曲线。
c) 工程化生物混合电极CF/CNFA@AQ-CR1和对照组在稀薄酒糟中的库仑效率和COD去除效率。
d) 工程化生物混合电极CF/CNFA@AQ-CR1和对照组的CLSM图像。
e) 使用构建的BES降解Cr6+的示意图。
f) 工程化生物混合电极CF/CNFA@AQ-CR1和对照组在厌氧条件下MFCs中Cr6+浓度。
g) 工程化生物混合电极CF/CNFA@AQ-CR1和对照组在MFCs中Cr6+降解动力学常数。
h) 工程化生物混合电极CF/CNFA@AQ-CR1和对照组的CLSM图像。
i) 使用工程化生物混合电极电合成CO2还原为甲酸的示意图。
j) 工程化生物混合电极CF/CNFA@AQ-CR1和对照组的甲酸浓度。
k) 工程化生物混合电极CF/CNFA@AQ-CR1和对照组的ATP浓度和NADH/NAD+比率。
l) 工程化生物混合电极CF/CNFA@AQ-CR1和对照组的法拉第效率。数据以平均值 ± 标准差（n = 3个生物学重复）呈现。
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