基于胞外聚合物的微生物胞外电子传递机理研究

Biofilm, the microbial aggregation combined with extracellular polymeric substances on a surface, is essential to the conversion and degradation of pollutants in environmental engineering systems, and the regulation on biofilm can adjust the function of an environmental engineering system. Many microbes can transmit energy and exchange information by extracellularly transfering electron between cells, which therefore can be used to regulate the biofilm. Nowadays microorganisms are usually considered as cells that directly contact with the external circumstances. In fact, microorganisms are imbedded and connected with each other by conductive or even electrochemically active extracellular polymeric substances (EPS). In this application, we are going to employ several technologies such as electrochemical techniques, microfluidic chip and microelectrode, gene knockout, scanning probe microscopy to investigate the effects of EPS (especially DNA, humic substances and electrochemically active proteins) on extracellular electron transfer (EET). With the research results, we aim to make up for the shortage of knowledge on microbial EET and electron transfer in biofilm and have a better understanding on the microbial interaction in biofilm, which can be further used to regulate the biofilm.

生物膜是通过胞外聚合物连接在一起的微生物聚集体，是实现污染物转化和降解的环境工程系统中重要的功能中心，对其进行调控可调节环境工程系统的功能。胞外电子传递是很多微生物实现能量和信息传递的重要方式，因而可通过调节胞外电子传递方式对生物膜的形成、形态、功能等进行调控。目前对微生物胞外电子传递的研究将菌体细胞考虑为裸露在环境中的个体，而没有考虑到包裹并连接细胞的、可导电或具体电化学活性的胞外聚合物的作用。本研究针对目前微生物胞外电子传递机理研究在这方面的不足，拟结合使用电化学、微流控、基因敲除、扫描探针显微镜等多种技术探讨胞外聚合物（尤其是DNA、腐殖质和某些具有电化学活性的蛋白质）在微生物胞外电子传递中所起的作用及其作用机理，阐述生物膜的电子传递方式，从而有助于更深入地理解生物膜内微生物的相互作用，为调控生物膜的形态与功能提供理论支撑。

胞外电子传递是部分微生物具有的一种与胞外进行电子交换的能力，胞外聚合物是包裹在所有微生物细胞外的一层高分子有机聚合物的总称，本研究的主要目的在于探索胞外聚合物的存在对胞外电子传递过程可能的影响及其机制。在项目执行期，本项目研究团队科学分工协作开展了一系列研究工作，首先以细菌Shewanella oneidensis MR-1为主要研究对象比较研究了离心法、加热法、EDTA法、超声法、碱法、硫酸法等微生物胞外聚合物提取方法，并优化得到了适合本研究的胞外聚合物加热提取法；以革兰氏阴性细菌Shewanella oneidensis MR-1、阳性细菌Bacillus sp. WS-XY1和真核酵母Pichia stipitis为对象，研究了有无胞外聚合物情况下微生物的胞外电子传递特征，从而在国际上首次将胞外聚合物引入胞外电子传递过程并构建了胞外电子传递的新理论模型；此外，还开展了胞外聚合物中的蛋白质组学分析研究，微生物的原子力—原位红外显微光谱表征，搭建微流控平台用于研究胞外电子传递，基因工程菌株的构建，以及应用微生物胞外电子传递强化去除水体中抗生素等研究工作。本研究取得了预期的研究成果，相关研究结果已发表期刊论文11篇，发表于Science Advances、Water Research、Journal of Materials Chemistry A、Bioelectrochemistry、Chemical Engineering Journal、Water Science and Technology、Current Opinion in Electrochemistry、中国环境科学、环境科学等国内外学术期刊，申请了关于抗生素降解菌分离与应用的发明专利1项，参加国际会议4人次，国内会议5人次，做口头报告3人次，墙报5人次，研究成果得到了广泛传播和国内外同行的广泛关注。