Electricity Generation by Shewanella decolorations S12 without Cytochrome c

無色希瓦氏菌S12無細(xì)胞色素c的發(fā)電

來源：Frontiers in Microbiology, Volume 8, Article 1115, June 2017

《微生物學(xué)前沿》，第8卷，文章編號1115，2017年6月

 

摘要

這篇論文研究了細(xì)菌胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）過程中非細(xì)胞色素c蛋白（ENCP）的作用。盡管外膜c型細(xì)胞色素（OMCs）被認(rèn)為是細(xì)菌EET所必需的，但大多數(shù)細(xì)菌缺乏OMCs，而在生物膜胞外聚合物中存在其他氧化還原蛋白。論文假設(shè)ENCP在電子介體促進(jìn)下可能參與EET。通過比較野生型Shewanella decolorations S12和OMC缺陷突變體的發(fā)電能力，發(fā)現(xiàn)突變體在正常培養(yǎng)下無法發(fā)電，但添加核黃素后恢復(fù)至野生型26%的發(fā)電能力。生物電化學(xué)和X射線光電子能譜分析表明，ENCP如含F(xiàn)e-S簇的蛋白參與了黃素介導(dǎo)的EET。

 

研究目的

研究目的是驗證ENCP在電子介體存在下是否參與細(xì)菌EET過程，并探索OMC非依賴性EET的機制，以理解自然環(huán)境中微生物EET的多樣性。

 

研究思路

研究思路包括：使用Shewanella decolorations S12的野生型（WT）和OMC缺陷突變體（MT），在微生物燃料電池（MFC）中比較它們的電極呼吸能力；通過添加核黃素作為電子介體，評估MT的EET恢復(fù)情況；利用生理學(xué)分析（如生物膜生長、黃素濃度）、電化學(xué)方法（循環(huán)伏安法、電化學(xué)阻抗譜）和光譜學(xué)技術(shù)（XPS、EDS）研究ENCP的作用機制；通過蛋白酶K處理驗證ENCP在EET中的直接貢獻(xiàn)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 發(fā)電能力數(shù)據(jù)：WT在正常條件下發(fā)電達(dá)56.4μA，而MT無發(fā)電能力；添加核黃素后MT發(fā)電恢復(fù)至14.4μA（野生型的26%）。這些數(shù)據(jù)來自圖2A和圖2B。研究意義：直接證明ENCP在電子介體存在下可支持EET，挑戰(zhàn)了OMC為EET唯一途徑的傳統(tǒng)觀點，為拓寬產(chǎn)電微生物資源提供依據(jù)。

 

2 生物膜生長和黃素濃度數(shù)據(jù)：WT和MT生物膜厚度相似（約17μm），但MT生物量較低（15 vs 17.5μg/cm2），MT生物膜黃素分泌能力降低12.9%。這些數(shù)據(jù)來自圖1。研究意義：表明OMC缺失影響生物膜微環(huán)境適應(yīng)性，但結(jié)構(gòu)完整性保留，ENCP可能作為替代電子傳遞路徑。

 

3 電化學(xué)分析數(shù)據(jù)：CV顯示W(wǎng)T生物膜在-0.25V有尖銳氧化還原峰（OMC-黃素作用），而MT生物膜呈寬峰（ENCP介導(dǎo)）；EIS表明MT電荷轉(zhuǎn)移電阻高于WT。這些數(shù)據(jù)來自圖3。研究意義：揭示ENCP介導(dǎo)的EET具有更廣泛的氧化還原特性，區(qū)別于OMC的特異性傳遞，為設(shè)計混合EET系統(tǒng)提供參考。

 

4 元素和化學(xué)鍵分析數(shù)據(jù)：EDS檢測到生物膜中Fe元素（WT 0.11%，MT 0.07%），XPS在163.5eV顯示Fe-S鍵特征峰。這些數(shù)據(jù)來自圖4。研究意義：證實ENCP中含F(xiàn)e-S簇等氧化還原中心，可直接參與電子傳遞，支持ENCP在介導(dǎo)EET中的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

 

5 蛋白酶敏感性數(shù)據(jù)：蛋白酶K處理使MT發(fā)電降低84%。這些數(shù)據(jù)來自圖2B。研究意義：直接證明ENCP是MT發(fā)電的功能性組件，強調(diào)蛋白質(zhì)組分在EET中的關(guān)鍵作用。

 

結(jié)論

論文得出結(jié)論：OMC缺陷菌株在電子介體存在下能通過ENCP實現(xiàn)EET；含F(xiàn)e-S簇的ENCP是黃素介導(dǎo)電子傳遞的重要參與者；ENCP的廣泛存在提示其在自然和工程化EET過程中可能發(fā)揮未被充分認(rèn)識的作用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極測量的溶解氧剖面數(shù)據(jù)用于量化生物膜內(nèi)氧梯度。研究意義在于：該技術(shù)可高分辨率空間監(jiān)測微生物微環(huán)境氧動態(tài)，顯示從生物膜-液體界面（0.08mM）到電極界面（0.01mM）的氧濃度梯度（文檔生理分析方法部分）。這證實了生物膜內(nèi)厭氧微環(huán)境的存在，為理解OMC缺陷菌株在缺氧條件下的代謝限制提供直接證據(jù)。此外，氧剖面數(shù)據(jù)與生物膜生長結(jié)果關(guān)聯(lián)，表明氧可用性差異影響MT菌株的呼吸適應(yīng)性，突顯微環(huán)境測量在解析EET生理約束中的價值。