Electron transfer of Pseudomonas aeruginosa CP1 in electrochemical reduction of nitric oxide

銅綠假單胞菌CP1在一氧化氮電化學(xué)還原中的電子轉(zhuǎn)移

來源：Bioresource Technology, Volume 218, 2016, Pages 1271-1274

《生物資源技術(shù)》第218卷，2016年，第1271-1274頁

 

摘要

本研究報(bào)道了由銅綠假單胞菌CP1菌株催化的催化電化學(xué)還原一氧化氮。在有細(xì)菌存在的情況下產(chǎn)生的電流是無細(xì)菌情況下的4.36倍。通過一系列循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)揭示，該菌株能夠通過間接電子轉(zhuǎn)移催化NO的電化學(xué)還原。活細(xì)菌分泌到溶液中的可溶性電子穿梭體是產(chǎn)生催化效應(yīng)的原因。通過檢測中間產(chǎn)物一氧化二氮也證實(shí)了NO還原的增強(qiáng)，有菌條件下的濃度比對(duì)照高46.4%，說明該電子轉(zhuǎn)移途徑并非直接將NO還原為N2。本研究結(jié)果可能為生物催化劑去除NO領(lǐng)域的生物電化學(xué)研究提供一個(gè)新模型。

 

研究目的

本研究旨在揭示微生物催化的NO電化學(xué)還原中可能的電子轉(zhuǎn)移途徑，并測試?yán)勉~綠假單胞菌CP1進(jìn)行電化學(xué)NO去除的可行性。研究目標(biāo)是為替代鉑和貴金屬催化劑提供一種替代策略。

 

研究思路

研究采用循環(huán)伏安法分析銅綠假單胞菌CP1催化NO電化學(xué)還原的機(jī)理。在一個(gè)三電極系統(tǒng)中進(jìn)行測試，比較在有菌和無菌的磷酸鹽緩沖液、以及細(xì)菌培養(yǎng)上清液中的電化學(xué)行為。通過在不同時(shí)間點(diǎn)（如加菌后、氮?dú)獯祾吆蟆⒆⑷隢O后）進(jìn)行CV掃描，觀察電流和還原峰的變化。同時(shí)，使用丹麥Unisense微傳感器檢測溶液中的NO和N2O濃度，以驗(yàn)證NO的還原過程和中間產(chǎn)物的生成。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測量的電流數(shù)據(jù)：通過循環(huán)伏安法測量了在有無細(xì)菌存在下NO還原的電流。有菌時(shí)產(chǎn)生的電流是無菌時(shí)的4.36倍，表明細(xì)菌對(duì)NO還原有顯著的催化作用。該數(shù)據(jù)主要來自圖2A的CV曲線，比較了線條c（有菌+NO）和線條d（無菌+NO）的電流值。

 

2 測量的N2O濃度數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense微傳感器測量了溶液中的N2O濃度。在有菌條件下，N2O濃度達(dá)到3.65±0.07 mg/L，比無菌對(duì)照（2.50±0.10 mg/L）高出46.4%。該數(shù)據(jù)表明NO還原過程中產(chǎn)生了N2O中間體，證明反應(yīng)是分步進(jìn)行的。

3 測量的可溶性電子穿梭體活性數(shù)據(jù)：通過CV檢測細(xì)菌培養(yǎng)上清液，在約-140 mV處觀察到一個(gè)氧化還原峰，這與已知的銅綠假單胞菌分泌的電子穿梭體（如綠膿菌素）相符。該峰在注入NO后增大，表明這些可溶性物質(zhì)參與了NO還原的電子傳遞。該數(shù)據(jù)來自圖2B的CV曲線，特別是線條c。

 

研究意義在于：電流數(shù)據(jù)證實(shí)了細(xì)菌的生物催化作用，顯著提高了NO電化學(xué)還原的效率。N2O濃度數(shù)據(jù)揭示了具體的反應(yīng)路徑，即NO先被還原為N2O，而非直接生成N2，這對(duì)于理解生物電化學(xué)系統(tǒng)中的反硝化過程至關(guān)重要。可溶性電子穿梭體的活性數(shù)據(jù)則闡明了電子轉(zhuǎn)移的機(jī)制是間接的，主要由細(xì)菌分泌的 soluble shuttles 介導(dǎo)，這為開發(fā)低成本、高效的生物電化學(xué)系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

 

結(jié)論

1 銅綠假單胞菌CP1能夠通過間接電子轉(zhuǎn)移方式催化NO的電化學(xué)還原。

2 催化作用主要由細(xì)菌分泌的可溶性電子穿梭體介導(dǎo)，這些穿梭體通過在電極表面還原NO來發(fā)揮作用。

3 NO的電化學(xué)還原是一個(gè)受擴(kuò)散控制的過程，部分原因是NO的低溶解度。

4 電子轉(zhuǎn)移路徑并非直接將NO還原為N2，而是先還原為N2O中間體。

5 該研究為生物電化學(xué)系統(tǒng)（如微生物電解池）用于NO處理提供了基礎(chǔ)信息，并可能成為一種降低成本的替代策略。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微傳感器測量出的NO和N2O數(shù)據(jù)具有重要的研究意義。首先，N2O濃度的精確測量（有菌條件下3.65±0.07 mg/L，無菌條件下2.50±0.10 mg/L）直接證實(shí)了在細(xì)菌催化下，NO還原的中間產(chǎn)物N2O的生成量顯著增加。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)樗鞔_了該生物電化學(xué)催化過程的反應(yīng)路徑是分步進(jìn)行的：2 NO + 2 e? + 2 H+ → N2O + H2O，而不是一步直接還原為氮?dú)狻＿@加深了對(duì)生物催化反硝化過程機(jī)理的理解。其次，通過對(duì)比有菌和無菌條件下的N2O濃度差異，該數(shù)據(jù)有力地證明了細(xì)菌及其分泌物的存在確實(shí)增強(qiáng)了對(duì)NO的還原能力，將生物作用與非生物作用（如可能由在負(fù)電位下產(chǎn)生的氫氣導(dǎo)致的還原）區(qū)分開來，凸顯了生物催化劑的獨(dú)特作用。此外，NO濃度變化不大（僅差4.8%）的測量結(jié)果說明，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間尺度內(nèi)，溶液本體中的NO消耗不明顯，暗示了反應(yīng)可能主要局限在電極表面附近，這支持了作者關(guān)于反應(yīng)受傳質(zhì)（NO低溶解度）限制的觀點(diǎn)。因此，Unisense電極提供的關(guān)鍵氣體濃度數(shù)據(jù)為驗(yàn)證催化效果、闡明反應(yīng)機(jī)理和認(rèn)識(shí)過程限制因素提供了直接、定量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，是得出研究結(jié)論的重要支撐。