bioRxiv∣在硫酸盐异化还原菌中的电活性呼吸过程中，直接和间接胞外电子传递机制的共存

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2024-07-12

导读：在寻求可持续能源解决方案的道路上，微生物燃料电池（MFCs）技术展现出巨大潜力。这一技术利用特定微生物，将有机物质中的化学能转化为电能。

“bioRxiv∣在硫酸盐异化还原菌中的电活性呼吸过程中，直接和间接胞外电子传递机制的共存”

文献信息：

作者：Liyuan Hou, Rebecca Cortez, Michael Hagerman, Zhiqiang Hu, Erica L.-W. Majumder

发布时间：March 29, 2024

https://doi.org/10.1101/2024.03.28.587247

bioRxiv 影响因子：-

背景介绍

在寻求可持续能源解决方案的道路上，微生物燃料电池（MFCs）技术展现出巨大潜力。这一技术利用特定微生物，将有机物质中的化学能转化为电能。特别是硫酸盐还原菌（SRB）中Desulfovibrio属的细菌，虽然它们对金属电极有腐蚀作用，但在处理含硫酸盐的废水方面显示出独特的应用潜力。

本研究聚焦于Desulfovibrio vulgaris Hildenborough（DvH）这一模型SRB，旨在揭示其在MFCs中进行胞外电子传递（EET）的机制。研究发现，在阳极室和阴极室中，通过精确调节乳酸盐与硫酸盐的比例，DvH能够有效地将电子传递至碳布电极，实现最大输出功率密度约0.074 W/m²的电力产生。

电子显微镜分析揭示了DvH利用类似纳米菌毛的丝状物附着在电极上，这些结构不仅促进了细胞间的电子传递，也是电极EET的关键。此外，蛋白质组学分析显示DvH通过增加菌毛和鞭毛相关蛋白以及组氨酸激酶的表达，来适应电活性呼吸。

通过对比DvH的突变株在MFCs中的表现，研究确认了菌毛在直接电子传递（DET）中的重要性。同时，缺乏生物膜形成的突变株仍然能够产生电流，这表明DvH可能采用了间接电子传递（IET）机制。代谢组学分析进一步揭示了黄素基代谢物作为潜在的电子穿梭分子，在不同呼吸模式间的调节作用。

图文解读

图1. MFC的示意图(a)和实验室规模原型(b)

图2.乳酸盐/硫酸盐比例菌株生成电流的影响

（a-b）乳酸盐/硫酸盐比例对阳极室(a)和阴极室(b)电力生成的影响。

图3 不同DvH突变株形成的生物膜对碳布的电化学分析

（a, b, e, f）展示了不同DvH突变株的阳极(a)、阴极(b)、阳极介质(e)和阴极介质(f)的循环伏安图。

(c, d)阳极(c)和阴极(d)的不同DvH突变株生物膜的奈奎斯特阻抗图。

图4

DvH JWT700 (a~d) 在云母片上生长，DvH JWT700 (c~d)，DvH JW3422 (e~f) 和 DvH JWT716 (g~h) 在碳布上生长的扫描电子显微镜(SEM)图像。黄色箭头表示野生DvH形成的丝状物。

图5.

维恩图显示了在不同电活性呼吸模式下，从DvH JWT700（s700；由蓝圈表示）、DvH JW3422（s3422；由黄圈表示）和DvH JWT716（s716；由灰圈表示）鉴定出的独特肽段的数量。标签ANE和ANS分别对应阳极和阳极室中的悬浮培养，而CAE和CAS分别代表阴极和阴极室中的悬浮培养。此外，s700.BIO和s700.SUS表示在没有电活性再培养模式下培养的DvH JWT700的生物膜和浮游培养。