电活性生物膜对重金属离子急性刺激的耐受特征及调控机制

The microbial electrochemical systems (MES), based on electroactive biofilms, have attracted extensive attentions as an innovative and eco-friendly biotechnology for energy recovery and environmental remediation. Nevertheless, previous researches predominantly focused on the extracellular electron transfer efficiencies and mechanisms, the stability of such biofilms was rarely demonstrated. Of particular interest is the tolerance properties and self-regulation mechanisms of electroactive biofilms under acute-shocking of toxic matters which is recognized as a kind of stability penalty of such biofilms. However, to date very few study in this field has been reported. To this end, this project aims to systematically study the capability of electroactivity recovery and tolerance properties of electroactive biofilms under acute-attack of Cu(II) and Cd(II); investigate the relationship between the components of extracellular polymeric substances (EPS) and tolerance properties of electroactive biofilms to unravel the role EPS playing in self-protection process of the biofilms toward heavy metals’ attack; identify key quorum sensing (QS) signal chemicals to investigate how exogenous QS signal influences the EPS dynamic variation of electroactive biofilms, then establish an innovative and scientific protocol that EPS administrated by quorum sensing enhances tolerance properties of electroactive biofilms toward heavy metals’ attack; explain the basic molecular mechanisms of quorum sensing (QS) signal chemicals on stability enhancement of electroactive biofilms. The ultimate goal of this project is to put forward basic and multidisciplinary knowledge for maintaining stability of microbial electrochemical system, provide technical solutions for optimizing practical applications of MES.

基于电活性生物膜的微生物电化学系统是一种新型产能及废水废物处理生物技术，是当前环境生物技术的研究热点之一。胞外电子传递机制是目前电活性生物膜的研究重点，生物膜稳定性则少受关注。环境毒性物质的刺激是影响电活性生物膜稳定性的重要因素，而电活性生物膜应对环境毒性物质刺激的耐受特征和调控机制少见报道。本项目拟以成熟电活性生物膜为研究对象，采用Cu(II)和Cd(II)为模式环境毒性物质，系统研究电活性生物膜在重金属急性刺激下的耐受特性和电活性恢复能力，阐明胞外聚合物（EPS）在生物膜耐受环境毒性物质冲击过程中的保护作用和机制；分析电活性生物膜形成过程中的关键群体感应信号分子，探讨外源群体感应信号分子对EPS组分和结构的影响，建立群体感应信号分子调控EPS强化电活性生物膜耐受重金属离子毒性的方法，阐明群体感应信号分子强化电活性生物膜稳定性的分子机制，为微生物电化学技术实际环境应用提供理论和技术支撑。

微生物电化学系统（MES）是以电活性生物膜为主体的一种新型产能及废水废物处理生物技术，是当前环境生物技术的研究热点之一。而电活性生物膜具有独特的胞外电子传递特性，是实现MES多功能环境应用的关键。围绕电活性菌这一特殊的微生物群体，本项目首先以成熟电活性生物膜为研究对象，采用高盐冲击等方式模拟毒性物质对电活性生物膜突发的环境冲击，系统研究了电活性生物膜在环境急性刺激下的耐受特性和电活性恢复能力，阐明了胞外聚合物（EPS）在生物膜耐受环境毒性物质冲击过程中的保护作用和机制；探讨了外源群体感应信号分子对EPS组分和结构的影响，并阐释了群体感应信号分子强化电活性生物膜稳定性的分子机制，基于上述研究建立了群体感应信号分子调控EPS强化电活性生物膜耐受环境急性冲击的方法，为环境微生物电化学技术实际应用提供理论依据和技术支撑，基本完成了项目预期目标。其次，针对微生物（尤其是电活性微生物）的EPS环境效应开展了一定的拓展研究，通过对照不同微生物来源的EPS，阐明了不同EPS组成结构和化学特性对EPS光化学特性的影响，初步探讨了微生物EPS在水环境中对痕量有机污染物降解与转化过程的潜在作用，为深入研究具有活跃微生物群落的水生态系统自净过程提供了新的研究视角。此外，项目基于电活性生物膜EPS显著了一氧化氮络合能力，构建了以电活性生物膜为主体的新型MES（微生物电化学滤塔），实现了模拟中温工业烟气高效的氮氧化物还原去除，进一步拓展了MES的环境应用。总而言之，本项目的研究以电活性菌为主线，通过生物膜稳定性强化、胞外聚合物理化特征等研究，逐步细化并拓展了电活性微生物的环境功能，为逐步推动电活性菌的环境应用提供了重要的科学基础。