Water Research∣胞外聚合物维持CdS-希瓦氏菌生物杂合体，高效光还原六价铬
文献信息：
作者：Siyu Zhang, Changhao Li, Changdong Ke, Sijia Liu, Qian Yao, Weilin Huang, Zhi Dang, Chuling Guo
接收时间：2024年01月24日
https://doi.org/10.1038/s41467-021-24312-4
Water Research影响因子：11.4
背景介绍
在最新的《Water Research》期刊中，一项突破性研究展示了一种创新的光敏生物混合系统（Photosensitized biohybrid system，PBS），PBS通过结合半导体的光能捕获能力和细菌的催化活性，为生物修复技术的发展提供了巨大潜力。
在光照条件下，半导体如硫化镉（CdS）能够产生电子-空穴对，这些电子可以直接传递给细菌表面的膜蛋白，进而参与污染物的生物转化和降解过程。
六价铬是一种常见的水体污染物，对环境和人类健康构成严重威胁。传统的微生物修复技术在处理高浓度的Cr(VI)时，往往需要额外的有机电子供体，且处理效率较低。
研究人员构建了一个以Shewanella oneidensis（一种细菌）和CdS为主要成分的模型PBS，针对Cr(VI)作为目标污染物进行研究。实验结果表明，在无需额外电子供体的情况下，该系统能在90分钟内完全去除25 mg/L的Cr(VI)。这一成果主要归功于CdS和细菌在光电子转移过程中的协同效应。
为了提高PBS在光催化条件下的生物相容性，研究人员引入了细胞外多聚物（EPS）。EPS是细菌分泌的一种大分子混合物，能够在不利环境下保护细菌。实验发现，添加了额外的松散结合EPS（lbEPS）的PBS在连续五批处理周期中均能高效去除Cr(VI)，而未添加EPS的PBS和添加紧密结合EPS（tbEPS）的PBS则分别只能维持三个周期。
通过EPS的包覆效应和猝灭效应，能够显著减少活性氧种（ROS）的积累，同时通过与镉（Cd）和铬（Cr）的螯合作用降低有毒金属的内化潜力，从而增强了细菌在光催化过程中的活性。
图文解读
图1：S. oneidensis-CdS、S. oneidensis-tbEPS-CdS和S. oneidensis-lbEPS-CdS 的表征
SEM图像（a）展示了不同生物混合系统中球形纳米粒子在细胞壁周围的分布情况，其中S. oneidensis-EPS-CdS系统中的细胞表面负载了更多的纳米粒子。
XRD谱图（b）证实了CdS在所有生物混合系统中的成功形成，并展示了它们的特征晶体结构。
UV-vis谱图显示了不同系统中CdS的吸收特性（c），其中EPS包覆的CdS显示出更宽的光学带隙（d）。
FTIR谱图（e）证实了EPS与CdS之间的配位作用，表明EPS分子可能通过氢氧基团参与了与CdS的结合。
图2. S. oneidensis-CdS在不同条件下的光催化Cr(VI)还原性能
时间曲线和伪一级动力学常数（a-d）展示了在光照条件下S. oneidensis-CdS生物混合系统对Cr(VI)的去除效率，以及与对照组（如无光照和热处理的生物混合系统）的比较。
不同基因缺失突变株的光催化性能揭示了外膜c型细胞色素（c-Cyts）在光驱动的Cr(VI)还原中的关键作用（e）。
图3. S. oneidensis-CdS生物混合系统的光催化稳定性
连续批次循环中的Cr(VI)去除性能显示了添加lbEPS的生物混合系统在五个连续循环中保持了高效的Cr(VI)去除能力（a）。
XPS分析证实了S. oneidensis-lbEPS-CdS系统中Cr(VI)的有效还原（b）。
DPV曲线（c）、光致发光光谱（d）和EPR谱（e）进一步揭示了EPS对CdS光生电荷重组动力学的影响。
图4. S. oneidensis-CdS生物混合系统在循环批次测试中的生物相容性
CLSM图像（a）显示了不同生物混合系统中细菌的活性随光催化循环次数的变化，其中lbEPS的添加显著提高了细菌的存活率。
DCFH-DA染色和MDA浓度测定（b-d）揭示了EPS在减少光催化过程中ROS积累和细胞膜损伤中的作用。
图5. EPS对生物混合系统中ROS和有毒金属的保护机制
EPR谱图（a）展示了不同生物混合系统中ROS的生成情况，其中lbEPS的添加显著减少了ROS的积累。
H2O2浓度（b）和Cr的空间分布（c）进一步证实了EPS在限制有毒金属内化和ROS清除中的保护作用。
图6 光催化反应过程中EPS的转化
EEM荧光光谱和FTIR谱图等（a-d）展示了光催化过程中EPS成分的变化，暗示了EPS中的多糖和腐殖质类物质可能参与了ROS的清除。
糖单体分析（e）显示了EPS中多糖的变化，这些多糖可能通过螯合金属离子来抑制ROS的活性。
合成生物学相关内容讨论与合作，及文章免费投稿
欢迎联系我：shalafangjian
了解更多合成生物学内容，请关注 iSynFox 🦊: