基于網絡和組學方法的產電微生物胞外電子傳遞研究進展

丁德武, 張 鵾, 何小青, 謝建明

(1. 宜春學院數學與計算機科學學院, 宜春 336000;2. 池州學院材料與環境工程學院, 池州 247000;3. 東南大學生物科學與醫學工程學院, 南京 210096;4. 東南大學生物電子學國家重點實驗室, 南京 210096)

厭氧條件下,某些微生物能夠將它們細胞內新陳代謝過程中產生的電子傳遞到細胞外,還原胞外電子被稱為受體并產生能量維持其自身生長。通常,這一過程被稱為胞外電子傳遞(extracellular electron transfer,EET);這些微生物被稱為產電微生物[1]。一般認為,產電微生物的EET過程對地球環境中碳、氮、硫、鐵、錳等元素的循環產生重要影響[2]。EET能力也使產電微生物成為生物電化學系統的重要研究對象,在能源生產、廢水處理、生物修復與化學合成等眾多領域有著廣泛應用[3]。例如,在能源生產方面,產電微生物可以通過與電極相互作用,把電子傳遞到電極上,從而產生電流輸出,即微生物燃料電池(microbial fuel cells,MFC)。Logan等[4]關于同步微生物產電和污水處理的研究實現了清潔電能生產和有機廢棄物處理,使MFC技術成為能源與環境領域的研究熱點。在化學合成領域,Tefft等[5]構造了氫化酶缺失型希瓦氏菌ShewanellaoneidensisMR-1,并利用其天然的Mtr蛋白和外源性光驅動質子泵積累NADH(還原型輔酶I),能夠由丙酮合成極具應用價值的2,3-丁二醇。

然而,產電微生物的EET效率通常較低,這已經成為限制產電微生物應用技術研究和發展的瓶頸[6-7]。當前,研究人員已經從遺傳學、電化學、生理生態學和基因組學等方面深入解析了希瓦氏菌和地桿菌兩個菌屬的產電微生物與電子傳遞相關的基礎理論問題[8-9]。……