Bidirectional microbial electron transfer: Switching an acetate oxidizing biofilm to nitrate reducing conditions

雙向微生物電轉(zhuǎn)移將醋酸鹽氧化生物膜轉(zhuǎn)化為硝酸鹽還原條件

來(lái)源：Biosensors and Bioelectronics 75 (2016) 352–358

 

一、摘要概述

論文摘要指出，本研究通過(guò)電化學(xué)表征（循環(huán)伏安法CV和差分脈沖伏安法DPV）探討了電活性生物膜中雙向電子轉(zhuǎn)移的機(jī)制。實(shí)驗(yàn)首先在陽(yáng)極條件下（乙酸氧化，電極電位+397 mV vs. SHE）培養(yǎng)成熟生物膜，然后切換至陰極條件（硝酸鹽還原，電極電位-303 mV vs. SHE）。結(jié)果表明，乙酸氧化和硝酸鹽還原發(fā)生在相似的形式電位（約-175 mV vs. SHE），生物膜主要由Geobacter sp.組成，暗示可能使用相同的電子傳導(dǎo)通路進(jìn)行雙向電子轉(zhuǎn)移。

二、研究目的

本研究旨在闡明“可切換”電活性生物膜中雙向電子轉(zhuǎn)移的主要機(jī)制，特別是從乙酸氧化到硝酸鹽還原的轉(zhuǎn)換過(guò)程，以揭示細(xì)菌是否使用相同的電子轉(zhuǎn)移通道。研究重點(diǎn)包括驗(yàn)證生物膜在雙向操作中的電化學(xué)行為、識(shí)別關(guān)鍵微生物種群，并為生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

三、研究思路

研究采用三電極系統(tǒng)反應(yīng)器（圖1），工作流程如下：

 

生物膜培養(yǎng)：從活性污泥接種，在陽(yáng)極條件下（乙酸為電子供體，電極極化在+397 mV vs. SHE）通過(guò)三個(gè)批次循環(huán)培養(yǎng)成熟生物膜，直至可見(jiàn)紅色生物膜形成（表明Geobacter富集）。

條件切換：將生物膜切換至陰極條件，更換為硝酸鹽介質(zhì)（硝酸鹽為電子受體），電極極化在-303 mV vs. SHE，進(jìn)行兩個(gè)批次循環(huán)。

電化學(xué)表征：使用CV和DPV在周轉(zhuǎn)（有底物）和非周轉(zhuǎn)（無(wú)底物）條件下表征電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，計(jì)算形式電位（Ef）。

微生物分析：通過(guò)DGGE和16S rRNA測(cè)序分析生物膜群落結(jié)構(gòu)，確認(rèn)優(yōu)勢(shì)菌種。

 

產(chǎn)物監(jiān)測(cè)：利用化學(xué)分析（如硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度）和丹麥Unisense微傳感器檢測(cè)反硝化產(chǎn)物（如N2O），驗(yàn)證反應(yīng)路徑。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

以下列出關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)，注明來(lái)源（圖或表），并解釋其研究意義。數(shù)據(jù)以描述性列表呈現(xiàn)，避免表格形式。

 

電流密度變化（來(lái)自圖2）

 

數(shù)據(jù)：在陽(yáng)極條件下，電流密度逐漸增加至穩(wěn)定（例如R-2中最大電流密度約0.2 A/m2），顯示生物膜成熟；切換至陰極條件后，出現(xiàn)負(fù)電流密度（約-0.02 A/m2），表明電子攝取用于硝酸鹽還原。

 

研究意義：電流符號(hào)變化直接證實(shí)生物膜能雙向操作，從氧化到還原的轉(zhuǎn)換成功，為后續(xù)機(jī)制分析提供基礎(chǔ)。

 

形式電位（Ef）測(cè)量（來(lái)自圖3和表1）

 

 

數(shù)據(jù)：陽(yáng)極周轉(zhuǎn)條件下Ef為-175±5 mV，陰極周轉(zhuǎn)條件下Ef為-175±34 mV；非周轉(zhuǎn)條件下Ef分別為-159±22 mV和-158±33 mV。

 

研究意義：形式電位高度相似（均約-175 mV）表明乙酸氧化和硝酸鹽還原可能通過(guò)相同的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)行，支持雙向電子轉(zhuǎn)移假說(shuō)。Ef的穩(wěn)定性提示Geobacter sp.的主導(dǎo)作用。

 

微生物群落分析（來(lái)自圖4和圖5）

 

 

數(shù)據(jù)：DGGE譜圖顯示Geobacter sp.為優(yōu)勢(shì)菌（帶寬相對(duì)強(qiáng)度在陽(yáng)極條件下為16.8%，陰極條件下為27.4%）；其他菌如Rhodocyclaceae在陽(yáng)極條件豐富（16.7%），但陰極條件下消失，而Synergistetes在陰極條件增加至26.0%。系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)（圖5）確認(rèn)Geobacter sp.與已知菌株相似度>99%。

 

研究意義：Geobacter sp.的持續(xù)主導(dǎo)表明其是雙向電子轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)者；群落變化反映環(huán)境適應(yīng)性，但核心電子轉(zhuǎn)移機(jī)制由Geobacter維持。

 

硝酸鹽還原產(chǎn)物檢測(cè)（使用丹麥Unisense電極）

 

數(shù)據(jù)：通過(guò)Unisense N2O微傳感器測(cè)量N2O濃度，結(jié)合硝酸鹽消耗（從32.1 mgN-NO??/L降至0）和亞硝酸鹽積累，計(jì)算庫(kù)侖效率（CE全路徑為14±1%，硝酸鹽至亞硝酸鹽段為35±4%）。

 

研究意義：這部分將在第六部分詳細(xì)解讀。

 

五、結(jié)論

本研究得出以下結(jié)論：

 

機(jī)制統(tǒng)一性：電活性生物膜能使用相同的電子通道（形式電位約-175 mV）進(jìn)行雙向電子轉(zhuǎn)移，從乙酸氧化切換至硝酸鹽還原，無(wú)需改變核心傳導(dǎo)通路。

微生物主導(dǎo)：Geobacter sp.是生物膜的主要功能菌，其在雙向條件下的持續(xù)性表明其電子轉(zhuǎn)移能力的魯棒性。

應(yīng)用價(jià)值：為“可切換”BES設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，例如在廢水處理中實(shí)現(xiàn)同一生物膜的多功能化，但需注意Geobacter富集的條件優(yōu)化。

 

局限性：形式電位相似性提示機(jī)制共享，但分子水平證據(jù)（如細(xì)胞色素作用）需進(jìn)一步研究。

 

六、詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量的數(shù)據(jù)的研究意義

丹麥Unisense電極在本研究中用于測(cè)量硝酸鹽還原產(chǎn)物N?O，其研究意義至關(guān)重要：

 

測(cè)量原理：Unisense N?O微傳感器基于電化學(xué)原理，通過(guò)高選擇性電極實(shí)時(shí)檢測(cè)密封反應(yīng)頂空中N?O濃度變化（靈敏度達(dá)nM級(jí)），無(wú)需取樣，避免系統(tǒng)擾動(dòng)。

數(shù)據(jù)來(lái)源：在陰極條件下（文檔2.4節(jié)和3.2節(jié)），Unisense傳感器監(jiān)測(cè)N?O生成，結(jié)合硝酸鹽和亞硝酸鹽分析（通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)方法），驗(yàn)證反硝化路徑（NO?? → NO?? → N?O → N?）。

研究意義：

 

驗(yàn)證生物催化活性：N?O檢測(cè)確認(rèn)硝酸鹽還原是生物驅(qū)動(dòng)的（非生物對(duì)照中無(wú)N?O生成），排除電極直接還原的可能，強(qiáng)化生物膜催化作用的證據(jù)。

量化反應(yīng)效率：通過(guò)N?O數(shù)據(jù)和電荷量計(jì)算庫(kù)侖效率（CE），顯示電子利用效率較低（全路徑CE=14±1%），表明部分電子用于競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)或損失，為優(yōu)化電子轉(zhuǎn)移路徑提供指標(biāo)。

過(guò)程監(jiān)控與動(dòng)力學(xué)分析：實(shí)時(shí)N?O濃度曲線幫助跟蹤反硝化動(dòng)力學(xué)，確保實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性；例如，N?O積累模式可反映中間產(chǎn)物動(dòng)態(tài)，間接評(píng)估Geobacter的酶活性。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Unisense傳感器的無(wú)損性和高時(shí)空分辨率適用于微環(huán)境研究（如本反應(yīng)器體積1L），提供連續(xù)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了離線方法的不足，增強(qiáng)了整個(gè)研究的可靠性。

 

對(duì)雙向電子轉(zhuǎn)移的貢獻(xiàn)：Unisense數(shù)據(jù)直接將電子攝?。娏髅芏龋┡c化學(xué)反應(yīng)（N?O生成）關(guān)聯(lián)，證實(shí)陰極條件下電子轉(zhuǎn)移的有效性，從而支持形式電位相似性的結(jié)論——即同一機(jī)制驅(qū)動(dòng)雙向過(guò)程。

 

總之，Unisense電極數(shù)據(jù)不僅是反應(yīng)驗(yàn)證的工具，更是連接電化學(xué)和微生物活動(dòng)的橋梁，為雙向電子轉(zhuǎn)移機(jī)制提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)支持。