异化铁还原菌胞外电子介体的分泌、归趋、扩散及介导机制研究

The electron transfer by secreting extracellular electron mediator as medium is an important way of extracellular respiration by electro-active microbial dissimilatory iron reducing bacteria (DMRB). The interpretation of electron-mediated mechanism is a significant subject that can solve environmental remediation, toxic pollutants transformation and biological electrochemical application limitation. Based on the background above, the applicants propose a new perspective, which is to explain and reveal the mediated mechanism of the secretion, fate, diffusion of electron mediator. Based on fluorescence characteristics, some modern instrumental analytical methods will be used to screen and feature the electron-mediated molecule combined with microbial cultivation and electrochemical reaction system. Furthermore, the secretion, fate and the mechanism of electron mediator will also be studied to reveal the relationship among electron mediator accumulation, the response of environmental conditions and secreting mechanism. The distribution and fate of these soluble mediators in different media (biofilm/suspended phase) will be explored and calculated theoretically. The diffusion characteristics of mediators in interface of different phases will be analyzed to reveal the correlation between molecular diffusion and electron transfer which serves to the explanation of mediated mechanism and control methods. This work will provide theoretical basis and technology guidance to DMRB in environmental applications and improve the understanding of basic scientific questions and geochemical cycles.

分泌胞外电子介体作为媒介进行电子传递是电活性微生物异化铁还原菌（DMRB）进行胞外呼吸的重要方式，对电子介导机制的解析，是解决其在环境修复、有毒污染物转化及生物电化学应用限制的重要课题。基于此，申请者拟从一个新的角度——即通过探索电子介体的分泌、归趋和扩散对介导机理进行诠释。本项目将依托现代分析技术，基于胞外电子介体的荧光特性，结合微生物培养技术和微生物电化学反应系统，对DMRB分泌的电子介体进行甄别和表征，进而研究DMRB的分泌、归趋及介导机制，揭示电子介体的积累与环境条件的响应关系及分泌机理；探索这些可溶电子介体在不同介质（生物膜/悬浮相）中的分布与归趋，并进行理论计算；探索介体分子的扩散特性以及在悬浮相-交界面-生物膜的传质过程，揭示电子介体分子扩散与介导特性的关联，进而阐释介导机制，提出调控方法。为了解DMRB胞外呼吸和地球化学循环的基本科学问题及环境应用提供理论依据和技术指导。

在微生物转化环境物质的过程中，电子供体、微生物群落、电子受体之间存在一个电子流动网络，细胞外电子传递是驱动电子流动的重要环节之一。异化铁还原菌（DMRB）是其中最主要的类群，深入其相关机理对于理解水处理系统内的电子传递网络、地球化学循环、BES 的应用有重要的研究价值。基于此，本项目研究了针对黄素类电子介体的识别、定量方法，以及异化铁还原菌S.Oneidensis MR-1胞外分泌物核黄素特性、环境条件的响应关系及分泌机制，同时，探索了生物处理系统中的DMRB种群和功能，以及生物电化学体系中DMRB在液相和电极生物膜上的种群、分布、污染物的降解特性、产电特性等。研究中对含核黄素的样品分别进行LC-MS、EEM检测，确定利用EEM为主的核黄素定量方法，实现对S.Oneidensis MR-1胞外分泌物核黄素的定性、定量测定。考察了电子供体、电子受体等对核黄素分泌的影响，进一步揭示了S.Oneidensis MR-1分泌核黄素的特性。在混合微生物脱氯体系中，Desulfobulbus、Desulfovibrio、Dechloromonas和Geobacter为主要功能种群，产氢是胞外呼吸微生物重要的限速步骤。间歇实验和长期连续流实验表明，较高的温度有利于DMRB与其他共生菌形成互相支持的共营关系，提高胞外呼吸电子传递速率。对修饰电极的微生物燃料电池阳极室降解TCP特性进行考察，结果表明，构建的电池有很好的TCP的降解能力，可将100μM的TCP48h降解完全，降解速率令人瞩目，并发现，在开路的条件下TCP的脱氯速率显著增加，这为运用电化学系统降解难降解有机物提供了新思路。利用制备的核壳材料催化S.Oneidensis MR-1降解TCP，发现，当TCP初始浓度为100uM、OD600=0.4，MR-1对TCP的降解优异,其中吸附作用是重要的因素，缩短了电子和电子受体的距离，同时该核壳材料充当了电子穿梭体的功能，加速了电子传递。本研究实现了对S.Oneidensis MR-1胞外分泌物核黄素的定性、定量测定，并围绕DMRB的基本科学问题获得一系列新发现，深入了DMRB胞外电子传递的机理，开发了几种新型电极应用于生物电化学系统，为DMRB用于难降解污染物的应用方法提供了新思路，拓展了在污染物处理中的应用，因此，本研究具有较好的科学意义和研究价值。