外膜细胞色素与分泌物介导的微生物-矿物界面电子传递机制

The interaction at the microbe-mineral interface has important implications for the biogeochemical cycles of elements and contaminant transformations, and the extracellular electron transfer (EET) between outer membrane enzymes (Cyts) /exudates (Exs) and Fe(III) is the basis for the dissmilartory iron reducing bacteria (DIRB)-iron mineral interaction. In this proposed research, (1) the reaction between reduced Cyts and Fe(III) will be examined in vivo/in vitro and then, the kinetics will be obtained by measuring Cyts and Fe(III) with a kinetic model being established. (2) The Cyts/Exs will be isolated and purified, and the reaction between the obtained oxidized Cyts/Exs and iron mineral-associated Fe(II) will be examined. The kinetics will be investigated by measuring Cyts/Exs and iron, while the thermodynamics will be characterized by electrochemical methods. The kinetic and thermodynamic models will be established accordingly. The electron transfer mechanisms between DIRB and iron minerals will be further explained via the kinetic and thermodynamic models. This proposed research will provide a more comprehensive understanding for the microbial-mineral interactions and iron biogeochemistry with the important implications to the subject of soil microbiology.

土壤中微生物与矿物间的相互作用，显著影响元素生物地球化学循环和污染物迁移转化。铁还原菌与含铁矿物的相互作用本质是细胞外膜铁还原酶及分泌物与三价铁的氧化还原反应。本项目（1）通过构建活菌体系和离体体系中铁还原菌外膜细胞色素（还原态）与三价铁间的反应，测试细胞色素与铁物种在不同反应条件下的转化动力学，解析基元反应，分别建立活菌体系和离体体系的反应动力学模型。（2）分离铁还原外膜细胞色素及胞外分泌物，构建矿物吸附态亚铁与外膜细胞色素及分泌物（氧化态）的反应体系，测试外膜细胞色素、分泌物和铁物种的形态及动力学并建立反应动力学模型，测试反应体系的氧化还原电位，结合物种形态浓度及能斯特方程建立热力学模型。基于动力学和热力学模型，从细胞和分子水平阐明铁还原菌-氧化铁间的电子传递机制。可深入理解土壤矿物与微生物间的相互作用及其生物地球化学意义，具有重要的土壤生物学意义。

土壤中微生物与矿物间的相互作用，显著影响元素生物地球化学循环和污染物迁移转化。铁还原菌与含铁矿物的相互作用本质是细胞外膜铁还原酶及分泌物与铁物种之间的氧化还原反应。本项目自开展以来能够顺利地按照研究工作计划进行，主要研究内容和成果包括：.(1) 采用光谱和电化学相结合的方法，系统研究了离体外膜细胞色素c (c-Cyts)在厌氧条件下与亚铁反应的动力学与热力学机制，发现此反应的速率和氧化还原电势(∆E)均受Fe(II)物种(主要是Fe2+和FeCl+)和还原态细胞色素c(c-Cytred)的活度、质子(H+)浓度的影响。.(2) 利用漫透射-UV/Vis光谱法系统研究了活体细胞色素c还原末端电子受体(即六价铬和醌类物质)的原位光谱动力学，建立了一个原位监测微生物外膜c-Cyts氧化还原状态变化的有效方法；评估了不同培养条件对其反应的影响，发现CymA-MtrCAB-末端电子受体是微生物胞外还原的最重要电子传递途径，且这一电子传递途径主要受细胞浓度、电子供体种类、反应物初始浓度、产物毒性、pH、温度、氧气等因素影响；并基于实验数据和热力学分析探讨不同培养条件对其电子传递过程的影响机制。.(3) 采用动力学和热力学分析方法，系统研究了活体铁还原菌还原水铁矿的电子传递过程及其对生物成矿过程的影响机制，发现Fe(II)的生成是微生物胞外细胞色素c介导的铁还原结果，而次生矿物的生成则是生物源Fe(II)催化水铁矿晶相转化或微生物酶催化作用导致。.上述结果从细胞和分子水平阐明铁还原菌-氧化铁间的电子传递机制，可深入理解土壤矿物与微生物间的相互作用及其生物地球化学意义，具有重要的土壤生物学意义。.目前已经正式发表国际SCI论文10篇，国际会议论文3篇，国内会议论文1篇，所获得的成果已完成本项目的预期目标。