基于可取址微电极阵列的电活性生物膜电信号通讯和胞外电子传递的交互机理研究

Great break through has been made in recent biofilm studies that neuron-like electrical signaling mechanism was proposed in microbial systems, which was found to be a critical communication mechanism in biofilm formation and metabolism process. Electroactive biofilm, which is capable of extracellular electron transport (EET), has shown great significance in bioenergy recovery and bioremediation, however, its electrical signaling mechanisms have not yet been reported. Here in this proposal, a microelectrode array (MEA) based microfluidic microbial fuel cell platform will be constructed, and new research methodology will be built based on precise fluidic control, real-time imaging of biofilm formation and localized signal recording and stimulation with MEA; Electrical signaling mechanisms in biofilm with different EET pathways will be studied, and the interaction mechanisms between the EET pathway and electrical signaling under typical EET process will be revealed; The regulation of biofilm electroactivity via genetic modification and localized electrical stimulation will be investigated, and the influence of gene function and gene expression at the transcriptional level to the interaction mechanisms between electrical signaling and long range electron transfer will be explained. The research will generate novel technology of high efficient EET, and introduce new theory of electrical signaling in electroactive biofilm. The results will provide theoretical support for a comprehensive understanding of the evolution of the surface environment, mineral formation and transformation, as well as the improvement of bioremediation and bioenergy recovery efficiencies.

最近生物膜研究在微生物胞间通讯上取得重大突破，发现微生物具备类似神经系统的电信号通讯能力，是生物膜形成和代谢过程中的重要通讯机制。具备胞外电子传递能力的电活性生物膜在生物能源制备、生物修复中具有重要意义，然而其电通讯机制还未见报道。本项目将构建基于微电极阵列的微流控微生物燃料电池，通过流体精准控制、生物膜可视化以及微电极阵列的局域信号采集和激励，建立电活性生物膜通讯机制研究新方法；研究具备不同胞外传递路径的电活性生物膜电信号通讯机制，揭示典型胞外电子传递过程中远程电子传递途径/电信号通讯交互机理；通过基因敲除策略、局域电激励对生物膜电活性进行调控，揭示基因功能以及转录水平对电信号通讯与远程电子传递交互的影响机理。发展高效胞外电子传递调控新技术，形成电活性生物膜胞外电子传递胞间电通讯的新理论，为生物环境修复及生物能源制备技术提供理论支撑。

电活性生物膜因其独特的胞外电子传递能力而在环境污染治理、生物能源制备、生物修复中具有重要意义，然而其信号通讯机制尚不清楚。本研究采用电化学、激光共聚焦显微镜可视化技术及生物信息学分析手段，研究电信号通讯与化学信号通讯对电活性生物膜形成和胞外电子传递（EET）过程的影响与作用机制。主要研究内容包括：（1）构建可放置在激光共聚焦显微镜上对生物膜形成进行可视化观察的原位微生物燃料电池（MFCs）系统及原位三电极体系；（2）电信号通讯阻滞对纯菌Geobacter sulfurreducens和混菌电活性生物膜形成及胞外电子传递效率的影响机制的探究，结果表明电信号通讯阻滞导致胞内c-di-GMP和胞外AHLs介导的化学信号通讯增强，最终介导生物膜的形成；且电信号通讯阻滞有助于选择性富集产电菌Geobacter；（3）钾离子通道介导的电信号通讯对MFC同步产电及脱氮影响机理的探究，结果表明电信号通讯阻滞显著降低Geobacter的相对丰度，并且抑制硝化反应发生，降低脱氮效率；（4）化学信号通讯对MFC同步产电及脱氮影响机理的探究，结果表明添加外源C6-HSL信号分子能够大量富集优势自养及异养反硝化菌Thauera，增强MFCs的反硝化反应；（5）亚抑制浓度抗生素作为信号分子促进电活性生物膜形成的内在信号通讯机制的探究，结果表明亚抑制浓度盐酸四环素通过调控c-di-GMP基因的表达来促进生物膜形成；（6）电位调控下电活性生物膜信号通讯与胞外电子传递的交互作用机制的初步探究，结果表明钾离子通道介导的电信号通讯在基质浓度受限时发挥至关重要的作用。.本研究针对多种信号通讯方式，包括钾离子通道介导的电信号通讯、胞内c-di-GMP介导的信号通讯以及胞外AHLs介导的群体感应，对电活性生物膜的形成及胞外电子传递的影响及作用机制进行研究，为电活性生物膜形成所涉及的信号通讯方式提供理论数据，为加快MFCs启动、提高胞外电子传递效率、加强MFCs运行稳定性提供新的思路和理论支撑。