含铁氧化物矿物光电子强化粪产碱杆菌反硝化作用机制研究

In this project, iron oxides (goethite, hematite and ilmenite) and heterotrophic Alcaligenes faecalis common in Earth surface system will be studied. This project focuses on the key scientific issue that natural iron oxide photoelectrons utilization via the key proteins on Alcaligenes faecalis membrane and the molecular mechanisms of biological denitrification promoted by photoelectrons. Assisted by electrochemical analytic methods, this project will carry out the following researches: the semiconductor features of natural iron oxide minerals, the generation and separation of photoelectrons, and the Alcaligenes faecalis denitrification strengthened by photoelectrons as well as the biological features of the proteins that absorb photoelectrons. The objects of this project are to select the effective photohole scavengers that promote photoelectron-hole separation, reveal the energetic relationship between iron oxide band structures and membrane photoelectron absorption protein, clarify the protein species, and investigate the biological mechanism of Alcaligenes faecalis denitrification strengthened by photoelectrons. With these research goals, this project will provide scientific evidences of the mechanisms of non-phototrophic microbes’ photoelectrons utilization.

本项目以地表系统中常见的含铁氧化物矿物针铁矿、赤铁矿和钛铁矿以及异养微生物粪产碱杆菌为研究对象，围绕天然含铁氧化物矿物光电子如何被粪产碱杆菌细胞膜上关键蛋白接受并强化其生物反硝化作用的分子机制这一关键科学问题，以环境矿物学与微生物学研究方法为指导，结合电化学分析手段，开展天然含铁氧化物矿物半导体特性与光电子产生、分离过程研究，重点开展含铁氧化物矿物光电子强化粪产碱杆菌反硝化作用过程及该过程中接受光电子的关键蛋白的表征研究。旨在查明地表系统中促进天然含铁氧化物矿物光电子-空穴分离的高效空穴捕获剂，揭示含铁氧化物矿物能带结构与粪产碱杆菌获得光电子能量关键蛋白之间的能量匹配关系，明确粪产碱杆菌细胞膜上获得光电子的关键蛋白种类，探究获取光电子的粪产碱杆菌反硝化能力得到强化的生物学机制，为探讨非光合微生物利用半导体矿物光电子的分子机制提供科学依据。

本项目研究探讨了天然含铁氧化物矿物的半导体特性，通过同步辐射测定三种含铁氧化物的氧原子吸收谱与发射谱，测得针铁矿、赤铁矿和钛铁矿禁带宽度分别为2.32 eV、2.32 eV和2.67 eV。进一步为了便于研究，使用模拟矿物光电子作为电子源探讨外源电子对粪产碱杆菌反硝化作用的影响，研究结果表明尽管粪产碱杆菌本身无法有氧或者厌氧还原硝酸根，在外加+0.06 V、-0.06 V及-0.15 V（相对标准氢电势）条件下，硝酸根不同程度上被还原。在-0.06 V和-0.15 V实验组中，硝酸根还原速率为17.3 mg/L/天及28.5 mg/L/天，相应的还原率为30.4%和52.4%。对于亚硝酸根还原，在-0.06 V、-0.15 V和-0.30 V条件下，还原速率分别为1.98、4.37和3.91 mg/L/hour。在亚硝酸根还原过程中，当切断外加电势情况下，最初的1.5小时内，亚硝酸根还原速率仅从2.3 mg/L/hour降至2.25 mg/L/hour。此后时间内，亚硝酸根还原速率急剧下降至0.38 mg/L/hour。随即，再次施加电压后，亚硝酸根还原速率并没有恢复到初始水平，速率略提升至之前无电势条件下的两倍程度。进一步分析微生物以电极作为唯一电子供体进行反硝化作用，预测其机理可能有两种，一种为微生物细胞表面蛋白直接与电极接触，直接在细胞表面进行反硝化作用；另一种是微生物通过表面蛋白获得电子后，将电子能量储存于胞内一种被称为“electron sink”的蛋白中，然后进一步参与胞内反硝化代谢途径。相对于国外类似研究结果，本项目研究中反硝化速率更高而外源电子能量却相对较低，体现了本生物电化学体系具有较高的反硝化效率，为进一步非光合微生物利用太阳光能研究打下基础，并有可能为消除环境中硝氮污染物提供了一个新的思路。