铁细菌与铁氧化物半导体矿物在日光下协同作用机制及其环境意义

The interaction between iron-reducing bacteria and iron oxide minerals is an important biogeochemical process, significantly influencing the geochemical cycling of elements in hydrosphere. In this project, the synergetic mechanisms of iron-reducing bacterium, Shewanella oneidensis MR-1, and semiconducting iron oxide, hematite, in electricity generation and energy conversion under sunlight irradiation will be systematically investigated. The respective contributions of photocatalysis and extracellular respiration to the synergistic effect by the interaction between hematite and S. oneidensis will be studied from the perspectives of the electrogenesis of S. oneidensis and the semiconducting properties of hematite. The roles of the outer-membrane c-type cytochromes, OmcA and MtrC, bio-engineered S. oneidensis MR-1, as well as the synthetic microbial community including S. oneidensis MR-1in the synergy of electrogenesis and photocatalysis will be studied. The band gap of hematite will be adjusted by doping Al or Mn, in order to improve the visible-light response. In addition, flavins will be used as the photosensitizer to modify the semiconducting properties of hematite. The photocurrents by the system of modified hematite and S. oneidensis will be investigated, in order to reveal the effects of semiconducting properties on the synergetic effects of hematite and S. oneidensis under visible-light irradiation. The effects of the studied system on environmental treatments and element biogeochemical cycling in hydrosphere will be discussed based on the mechanisms.

铁细菌-铁氧化物矿物相互作用是地表环境中重要的生物地球化学过程，对水圈元素循环具有重要的影响作用。本项目拟研究模式铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1和赤铁矿在日光下协同作用进行能量转化和电子转移的机制。从微生物产电呼吸和赤铁矿光催化作用两方面系统分析光生电子和生物电子在铁细菌-铁氧化物半导体矿物界面的传递过程。产电呼吸的影响将从蛋白质分子、基因工程改造菌、合成微生物群落三个不同层次研究细胞色素蛋白、代谢速率、胞外分泌物等因素对协同产电效率的影响；在矿物光催化方面，主要从杂质对矿物能带结构的调控和黄素对矿物光敏性的改变两方面进行研究，探讨赤铁矿半导体性质对于光催化反应-产电呼吸耦合过程的影响。基于对赤铁矿-希瓦氏菌在日光照射下协同作用机制的认识，考察该体系对水中污染物的去除效率，为认识铁细菌-半导体矿物在日光下的协同作用对水圈元素循环的影响提供理论依据。

地表环境中广泛存在的、具有可见光响应的半导体矿物能够在日光激发下产生光生载流子，与非光合电活性微生物发生界面电子转移，促进地表各个圈层的物质和能量的传递和转化。然而，目前光驱动的半导体材料-微生物协同作用研究主要聚焦在生物质合成、可再生能源转化等方面，天然半导体矿物-电活性微生物体系在日光激发下的协同作用机制研究较少。本项目定量描述了日光驱动常见半导体矿物—赤铁矿和典型非光合电活性微生物--希瓦氏菌之间协同作用产生光电子、促进地表元素循环的生物地球化学过程。创新性地构建了希瓦氏菌-赤铁矿纳米线阵列光电极的单室电化学系统，利用电化学方法定量矿物-微生物界面电子传递的动力学及其光响应效率。在此基础上，结合水化学反应动力学、矿物学精细表征、生物分子学等手段，系统研究了光照对于赤铁矿-希瓦氏菌界面电子转移途径、微生物代谢效率、元素转化效率和产物赋存状态等多方面的影响。证实了非光合电活性微生物可以利用半导体矿物作为可见光的光能捕集/转化器、驱动生物电子填补半导体矿物的光生空穴、加快微生物代谢速率的协助机制，为认识天然水体中非光合微生物利用太阳光光能提供了新的视角；揭示了日光激发赤铁矿-希瓦氏菌体系形成新的电子传递途径，显著提升了其对于六价铬和硝酸根的还原速率和程度，阐明了光电子和价电子分别在矿物-微生物协同转化元素形态方面的贡献；证实了希瓦氏菌促进赤铁矿光电子产生和还原六价铬有助于还原产物在矿物表面的沉淀富集，减少还原产物在微生物表面/胞内富集，提高微生物在污染环境中的活性，揭示了地表环境中半导体矿物保护微生物的新模式。