利用微纳电极对奥奈达希瓦氏菌胞外电子传递的研究

Microbial extracellular electron transfer is central to numerous biogeochemical processes as well as a series of novel energy-environmental techniques. However, its underlying mechanisms are still obscure in many ways. With model exoelectrogen Shewanella oneidensis as the subject, this proposal aims to investigate how its extracellular matrix functions in the direct electron transfer. The proposal also targets at the issue of meditor diffusion layer thickness and diffusion coefficient. The study relies on micro/nanoelectrodes. Two types of micro/nanoelectrodes are involved: microcylinder electrodes and nanoelectrode fabricated by E-beam lithography. The characteristics of microcylinder enable the measurement of mediator diffusion coefficient and diffusion layer thickness. The nanoelectrode enables an exclusive investigation on the extracellular matrix, where the scope includes: electrochemical properties of extracelluar cytochromes (thermodynamics, kinetics); electron hopping among cytochromes; possible electron transfer via the matrix, as well as the role of particular cytochrome in the matrix.

微生物胞外电子传递是众多生物地球化学过程的核心，也是多种新兴能源环境技术的基础。胞外电子传递中一些具体问题尚待研究。本项目将模式产电细菌奥奈达希瓦氏菌作为研究对象，探讨其间接电子传递中的介体扩散层厚度与分子扩散系数问题；以及胞外基质在直接电子传递中的作用。 试验引入微纳电极作为研究手段。试验涉及两种形式的微纳电极：微柱电极与纳米级刻蚀电极。微柱电极表面的扩散特性为实测电子介体的扩散层厚度与扩散系数提供了可能。而刻蚀电极便于单独研究胞外基质的电化学过程：包括胞外细胞色素的电化学行为（热力学，动力学），胞外细胞色素间的电子扩散，细菌能否通过胞外基质还原电极，特定细胞色素在上述过程中的作用。

胞外电子传递指微生物向外部不溶性物质传递电子的行为。这一现象在金属元素的生物地球化学循环，种间电子传递等环境过程中起了重要作用。同时，细菌向电极的电子传递也催生了一系列新兴能源与环境技术。在胞外电子传递研究中，奥奈达希瓦氏菌是广受关注的模式菌种。它能分泌出扩散性的黄素类物质充当电子介体；也能在细胞外膜或胞外基质中分布电子传递蛋白；同时其外膜可以发展出被称为“纳米导线”线状结构。然而，这些物质与结构在产电过程中的实际作用并未被充分理解。例如，黄素类物质的实际作用方式如何？希瓦氏菌具有“纳米导线”，却不能形成多层产电生物膜；细菌究竟是否可以依赖这些“导线”进行远距电子传输？. 本项目通过微电极与纳米电极研究了这些问题。在导电基底的表面覆盖200 nm厚的绝缘层，通过微纳加工技术在绝缘层上描绘线宽为微米级或纳米级的图案，从而形成微/纳电极。扩散性物质在微电极表面会产生特殊的微电极效应，从而帮助研究黄素类电子介体的作用过程。纳米电极可以阻止细胞外表面与电极的直接接触，从而为研究远距电子传递提供了平台。. 微米电极的结果表明，细菌产电水平与普通电极的结果相仿，说明扩散性的电子介体不是产电的重要途径。电化学伏安分析的结果也表明，与产电相关的主要物质可能是与细胞色素结合从而固定在电极附近的黄素类物质。. 纳米电极的结果表明，细胞能够在不与电极直接接触的情况下进行产电。并且，这种产电过程不依赖于扩散性电子介体。电化学分析显示，界面上的电子传递过程仍然是由固定的，自由基状态的黄素类物质完成的。而研究通过基因敲除菌株表明，从细胞表面到电极的电子传递更可能是由“纳米导线”，而非胞外聚合物中的细胞色素实现的。研究也分析了一些重要细胞色素c在远距电子传输中的作用。. 本研究得到了关于黄素类电子介体，“纳米导线”，胞外细胞色素c等物质或结构在胞外呼吸中作用的信息。对生物地球化学，环境技术等领域可能产生一定影响。