纳米磁铁矿介导的微生物胞外电子传递机制

Microbial extracellular electron transfer (MEET) is the key step of recently discovered microbial extracellular respiration, playing a significant role in anaerobic microbial energy metabolism. Magnetite promotes MEET and has important effects on the global biogeochemical cycles. Therefore, it is of great theoretical and practical significance to investigate the mechanisms of nanomagnetite-mediated MEET between not only the bacteria but also the bacteria and the archaea. Syntrophic bacterial co-culture evolved over time to produce conductive biological components which facilitating the efficiency of MEET. This was known as "Direct interspecies electron transfer (DIET)". Conductive nanosized materials stimulated the initial metabolism of a syntrophic co-culture which it is known capable of DIET and iron(III) oxide reduction. However, the mechanisms are far unknown. Here we use incubation experiments with defined pure cultures of both bacteria-bacteria and bacteria-archaea co-culture. Initially, metabolism will be substantially calculated and analyzed by GC and HPLC when abiotic, biogenic nansized magnetite or magnetite extracted from the soil was added to co-cultures of Geobacter metallireducens and Geobacter sulfurreducens grown under conditions previously shown to require DIET. In the meantime, the expression of key genes involved in the pathways will be analyzed by quantitative PCR. This project will give us the data of effects of nansized magnetite on microbial metabolism including mechanism for interspecies electron exchange in the soil, and show the important evidences of DIET contributed to the global biogeochemical cycles.

微生物胞外电子传递是新近发现的微生物胞外呼吸的核心步骤，是厌氧微生物能量代谢过程的重要方式。磁铁矿能够促进微生物胞外电子传递，进而对地球化学循环产生重要影响。因此，研究磁铁矿介导共生细菌以及细菌和古菌之间的胞外电子传递机制具有重要的科学和现实意义。共生细菌经过长期驯化能够形成具有导电性的生物结构以加快胞外电子传递效率，实现"直接电子传递"。添加导电的纳米材料则能够加快这一过程，但有关分子机理尚不明确。本项目将从已知能够进行直接电子传递的厌氧细菌及细菌和古菌共培养体系出发，添加常规、化学合成、生物生成以及从土壤中分离提取出来的纳米磁铁矿进行测试，分别利用GC和HPLC技术分析其直接传递效率是否得到提高。同时利用定量PCR技术对关键基因的表达水平进行检测。研究结果不仅为更好地认识磁铁矿介导的微生物胞外电子传递机制积累数据，也为纳米水平上微生物电子直接传递对地球化学循环的重要影响提供科学证据。

纳米磁铁矿能促进微生物胞外电子转移过程，在生物地球化学循环，生物修复和生物能源战略中起着重要的作用。从已知能够进行直接电子传递的厌氧细菌、细菌和古菌共培养体系出发，添加常规、化学合成、生物生成以及从土壤中分离提取出来的纳米磁铁矿进行测试，分别利用气相色谱（GC）和高效液相色谱（HPLC）技术分析其直接电子传递效率是否得到提高。同时利用PCR技术对关键基因的表达水平进行检测；通过转录组学对Geobacter种间电子传递过程关键基因的表达水平进行评估；利用生态学方法分析环渤海河口铁还原菌的多样性及其分布规律；利用热力学计算、电流密度测量和模型分析等方法了解磁铁矿对湿地甲烷产生过程的影响。结果显示：①在G. metallireducens和G. sulfurreducens进行种间直接电子传递过程中，电子供体菌株G. metallireducens的菌毛和细胞色素比电子受体菌株G. sulfurreducens更重要。②磁铁矿附着到Geobacter菌毛上的方式与c型细胞色素OmcS在Geobacter sulfurreducens的菌毛上的连接方式相似。OmcS缺陷菌株无法参与种间电子传递以及还原Fe（III）氧化物，而磁铁矿可以补偿这个功能。磁铁矿的存在抑制了野生型细胞中OmcS基因的表达，表明当有可用的磁铁矿存在时，细胞可能需要产生更少的OmcS。这个发现不仅有助于对现代微生物功能的了解，而且对认识早期微生物电子传递机制的演化过程具有指导意义。③通过研究对渤海周围沉积环境中发挥重要作用的异化铁还原菌（DIRB）的分布发现，细菌多样性与盐度密切相关。细菌群落结构与盐度、溶解氧（DO）、pH值和磁化率（χlf）显著相关。三个DIRB属，特别是与磁铁矿形成有关的梭菌属，其相对丰度似乎呈现一种非随机分布。④以黄河三角洲湿地主要植物芦苇为碳源研究，结果发现添加纳米磁铁矿可在“小时”时间尺度上,显著提高甲烷的产生速率。基于RNA水平的高通量测序分析结果表明，原位环境中具有胞外电子传递能力的Geobacter spp.与具有产甲烷能力的Methanosarcina spp.具有较高的丰度，暗示可能通过耦联互营乙酸氧化和电子还原二氧化碳过程，进而促进甲烷的产生。