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Chem. Eng. J∣基于希瓦氏菌构建的导电微环境，显著增强氢气产量

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2024-05-20

导读：将生物微生物和非生物基质协同集成到新的人工微生态系统中是生物制造领域的一项重要挑战，特别是在可持续能源技术的发展中。

“Chem. Eng. J∣Shewanella oneidensis-based areifical conductive micro-niche for hydrogen augmentation”

文献信息：

Song Lin, Tailin Wang, Zhengyu Tao, Zhenhui Li, Shangsong Li, Xiaoman Liu,Jun Liu, Xin Huang

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150850

出版时间: 30 March 2024

chemical engineering journal 影响因子：15.1

背景介绍

将生物微生物和非生物基质协同集成到新的人工微生态系统中是生物制造领域的一项重要挑战，特别是在可持续能源技术的发展中。

在这里，作者通过集成石墨烯、多巴胺和海藻酸以及希瓦氏菌，开发了一种全新的导电微生态环境，以提高氢的生产率。作者揭示了呼吸代谢在微环境内引起局部缺氧条件，并且通过连接的细胞外电子反向传递通路，从外部环境传递到外膜质氢酶，增强了约12.7倍的氢产率。值得注意的是，整个组装过程表现出良好的生物相容性，确保微环境内的菌株能够维持30天的氢生产。总的来说，预计微生物和无机材料的混合集成将为调节绿色生物制造业提供一种有效的策略，并增强生物氢生产。

图文解读

图1. 示意图显示了S. oneidensis细胞在形成的

基于S. oneidensis的人工混合微环境中的

组装、空间分布和功能调控

（a）大量的S. oneidensis细胞（绿色杆状体）通过两步乳化方法被密集地封装在钙藻酸盐水凝胶基质中。形成的微环境为S. oneidensis细胞提供了一个受限空间，促进了由于呼吸作用而形成的厌氧环境。因此，与自由细菌相比，微环境内的S. oneidensis细胞彼此更加接近，有利于细菌间的电子转移。

（b）增强的细菌间电子转移：通过厌氧代谢产生的电子（紫色圆圈）通过电子传递链（深红色球）从细胞质转移到位于周质膜（内膜和外膜之间的区域）和细胞外环境中的氢酶（蓝色柱体）处，同时细胞外电子可以通过石墨烯轻易地被邻近的S. oneidensis细胞接收，然后转移到氢酶。

图2. S. oneidensis基于球形微环境的形成

（a）利用1 mL的1％海藻酸钠和1 mL的S. oneidensis细胞悬浮液（OD₆₀₀ = 4.0，10⁹ cells/mL）形成的微环境的光学显微镜图像，比例尺为50 μm。

（b）单个球形微环境的SEM图像，显示S. oneidensis细胞被封装到基于海藻酸盐的基质中，比例尺为10 μm。

（c，d）微环境的2D（c）和3D（d）共聚焦扫描图像，显示整个微环境中DAPI标记的S. oneidensis细胞的存在；激发波长为405 nm，比例尺分别为50 μm和10 μm。

（e）单个微环境中蓝色荧光强度的图。插图显示相应的共聚焦扫描图像，染色如（d），比例尺为10 μm。

（f）含有氧指示剂[Ru(dpp)₃]Cl₂的微环境的荧光图像；激发波长为488 nm，比例尺为40 μm。

（g）单个微环境中基于氧微电极传感器的氧浓度测量的示意图。琼脂用作保护电极的基底。

（h）不同深度微环境内的氧浓度。

（i）微环境和自由S. oneidensis细胞的氧化还原电位曲线。

图3. 微环境中氢气产量的增强

(a) 不同深度的H₂浓度变化，自由S. oneidensis作为对照。通过可调深度的氢气微电极在溶液中检测H₂浓度。

(b) 不同浓度Ca²⁺（5 mM（绿色方块）、10 mM（蓝色三角形）和20 mM（紫色倒三角形））凝聚的微环境中H2量的时间依赖性测量。选择1 mL的1％海藻酸钠和1 mL的S. oneidensis悬浮液（OD₆₀₀= 4.0，10⁹ cells/mL）为所有测试制备微环境。数据表示为平均值±标准差，误差线表示标准差（n = 3，生物独立样品）。

(d) S. oneidensis MR-1（MR-1）/ G微环境的薄切冷冻扫描电子显微镜图像，显示基于海藻酸钠的基质中的S. oneidensis细胞（绿色）。比例尺，15 μm。

(e) MR-1/G微环境内部结构的放大冷冻扫描电子显微镜图像，显示微环境中S. oneidensis细胞与石墨烯的相互作用。比例尺，2 μm。

(f, g) 原生S. oneidensis（f）和S. oneidensis与石墨烯混合物（g）的TUNA电流图像，以及相应的统计直方图（插图）。统计直方图中的单峰拟合是通过高斯曲线获得的。

(h) 由S. oneidensis细胞（绿色）、MR-1@PDA（蓝色）、MR-1/G（紫色）和MR-1/海藻酸钠（红色）制备的微环境的EIS Nyquist图。实线表示拟合结果，拟合电路如图所示。

(i) 自由S. oneidensis与细胞色素c、核黄素和中性红一起进行7天的H₂产量。

图4. 微环境内的细菌间电子转移途径

(a) 六种突变体制备的微环境7天的H₂产量。选择1 mL的1％海藻酸钠和1 mL的S. oneidensis细胞悬浮液（OD₆₀₀ = 4.0，10⁹ cells/mL）来制备所有测试的微环境。

(b) 石墨烯（黑网）和PDA、包括CymA、MtrA、MtrB、MtrC、OmcA和未知血红素蛋白在微环境内S. oneidensis细胞之间电子转移中的作用。所有电位均以SHE（E^0'，pH = 7，T = 298.15 K）为基准，小的外膜细胞色素（即StcA），小的四血红素细胞色素（STC）。

(d) 原生S. oneidensis（顶部）和MR-1@PDA（底部）的杨氏模量统计直方图，单峰拟合是通过高斯曲线进行的。与原生S. oneidensis相比，MR-1@PDA的粗糙度和杨氏模量增加（分别为22.9 nm，162 MPa），与SEM结果一致。

(e) S. oneidensis MR-1、MR-1@PDA和MR-1/G的CV曲线。

(f) MR-1@PDA的TUNA电流图像及其相应的统计直方图（插图）。统计直方图中的单峰拟合是通过高斯曲线获得的。

(g) MR-1@PDA微环境、MR-1/G微环境、MR-1@PDA/G微环境和LB培养基中20 mM乳酸微环境的H₂产量随时间的变化。

图5. 微环境的长期H₂产量

(a) 微环境中S. oneidensis的存活随时间的变化。

(b) H₂产量过程中微环境尺寸的变化。每次计数100个微环境。

(c) H₂产量12天后微环境中S. oneidensis细胞的细胞内NADH/NAD⁺比率，以及(d) H₂产量12天后微环境中S. oneidensis细胞的干细胞重量（DCW），通过在40 ℃真空干燥后称重干燥的S. oneidensis细胞沉淀获得。使用配对的双尾t检验进行统计分析，数据以均值±SD表示（ns表示无显著性，n = 3）。