基于单细胞技术的海洋产电菌(Morganella sp.8121)胞外电子传递机理及代谢调控机制研究

Electron transfer mechanism of exoelectrogenic bacteria is crucial in its application into the fields such as clean bio-energy, biological electrocatalytic synthesis, environmental contamination remediation, and microbial sensor. At the electrode/electrolyte interface, the cells of exoelectrogenic bacteria are self-assembled on the electrode surface and form a layer-by-layer consortium, spontaneously. In the consortium, most of the cells are not contacted with electrode surface directly. The electrons generated by these cells should be transferred through extracellular electron tranfer pathways from one to another and be finally collected by the electrode. However, the mechanisms of electron transfer between cell and electrode, the extracellular electron transfer between cells, and their effects on cell metabolisms and regulations are remained unclear due to the multi-cell methodologies used in most studies. In this proposal, we choose a novel marine exoelectrogenic bacterium (Morganella sp. 8121) as the object of study, develop an innovative single-cell operation method to study the electron transfer mechanism and its effects on cell metabolism and regulation, so as to provide a method to construct exoelectrogenic bacterium consortium with high electron flux.

产电菌的电子传递机理是这种新型微生物资源用于生物清洁能源、生物电催化合成、环境污染修复、微生物传感器等领域中的关键共性问题。在电极/溶液界面处，产电菌以类似分子自组装的机制，自发地形成由多层产电菌构成的生物膜。在生物膜中，大多数产电菌并没有与电极直接接触。这些产电菌所产生的电子，必须以某种方式经过产电菌之间的电子传递，才能最终被电极捕获。然而，产电菌与电极、产电菌与产电菌之间的电子传递机理，以及电子传递与生物膜发育的关系，是目前多细胞研究法尚未解决的重要问题。本研究以我们在前期工作中获得的深海产电菌Morganella sp. 8121为研究对象，结合厦门大学固体表面物理国家重点实验室，在电化学和生物物理化学方面的研究条件，采用单细胞电化学研究方法，研究产电菌与电极、产电菌与产电菌之间的电子传递机理，电子传递与生物膜发育的关系。

产电菌是近年来发现一类功能性微生物，其本质特征是：具有胞外电子传递途径，能将代谢产生的电子传递给位于细胞外部的电子受体，或者反过来从胞外传递到胞内，偶联细胞的生理和代谢。由于此类菌株通常用于微生物燃料电池实现产电，因此通常被称为产电菌，但实际上应该称之为胞外电传菌。当前，产电菌机理研究主要采用陆源产电菌，并以MFC阳极作为最终电子，开展电子机理研究。本研究采用我们从海洋特别是深海筛选得到的产电菌；研究内容上，不仅研究MFC阳极作为最终电子受体的电子传递机理，而且研究了强极性偶氮染料分子作为胞外最终受体的可能性。..通过建立或改进了多项研究方法和技术，如反应器、底物转化CV、产电菌荧光标记、导电聚合物PEDOT改性电极、基于有限生物膜厚度的电子动力学模拟，研究了细胞与电极、产电菌与产电菌、产电菌与非产电菌之间的电子传递。结果表明海洋产电菌8121主要通过细胞外表面氧化还原载体的方式，实现直接电子传递。但细胞表面载体种类与常规Geobacter、Shewanella属的产电菌外膜上的细胞色素不一样。以石墨电极作为阳极材料，生物膜厚度18um左右，此时MFC产电最佳。..最终电子受体很大程度上决定了胞外电子传递途径和此类微生物资源的应用领域。经过研究，我们找到了强极性偶氮染料难以进入产电菌细胞的证据，因此，强极性偶氮染料可以作为一种微生物是否属于产电菌的检测方法。这会给今后产电菌的检测分析提供极大的便利。来自海洋的产电菌具有天然的耐盐特性，海洋产电菌有望成为一类胞外脱色微生物，海洋产电菌在印染废水处理领域有着广泛的应用前景。