本文主要研究内容
作者虞盛松（2019）在《电化学活性细菌胞外电子转移的分子机制和调控方法》一文中研究指出：电化学活性细菌(electrochemically active bacteria,EAB)是自然界中一大类可进行胞外呼吸的微生物,能够代谢并转化环境中的污染物。在该过程中,EAB特有的胞外电子转移发挥了重要作用,因而可以利用该功能构建生物电化学系统,同时实现污染物降解和能源转化。目前,关于胞外电子转移的研究倾向于关注胞外电子传递通道的解析,但对于生物电化学系统中的决速步骤,EAB和胞外电子受体界面的相互作用以及电子转移机制仍然缺乏清晰的认识,而该界面缓慢的电子转移速率实际上是限制生物电化学系统走向应用的瓶颈。本论文针对EAB外膜蛋白/电子受体界面电子转移受限这一关键问题,系统性地探索了外膜蛋白与电子受体的界面电子传递机制,提出并验证了细菌胞内代谢和胞外界面修饰两种调控方式,实现了胞外电子转移能力的强化,提高了生物电化学系统污染物转化与能量转换的的性能。本论文的主要研究内容和结果如下:1.外膜蛋白OmcA与电子受体氧化石墨烯(graphene oxide,GO)的界面电子传递机理。OmcA是EAB模式菌株Shewanella的主要外膜蛋白之一,而GO可作为生物电化学系统阳极材料石墨烯的前驱。将提纯的OmcA与GO构建成一个电子转移体系,并通过电化学耦合多种谱学的方法对该生物与非生物界面的电子跨越进行了实时监测,探索了生物体系OmcA与化学体系GO在体外的相互作用机制和直接电子传递过程;SDS-PAGE和光谱表征结果证实得到了纯度高且具有活性的OmcA;蛋白膜循环伏安法以及驻流光谱动力学的分析,表明在胞外能够实现OmcA到GO的电子转移,且反应动力学符合米氏方程,表现出酶促反应的特征;通过圆二色谱和二维红外相关分析,在分子水平上揭示了 OmcA在GO表面的取向及之间的电子转移机理,发现OmcA的氨基与GO首先形成氢键,缩短了两者之间的距离,并伴随着OmcA二级结构的轻微变化;OmcA主要通过酰胺I键与GO发生作用,进一步改变了电子转移活性中心与GO的距离,从而实现了电子传递速率的提高。这些结果有助于理解废弃物能源化的胞外电子转移机制,为构建高效的生物电化学系统提供设计思路。2.OmcA与纳米Fe203的界面电子传递机制。EAB又被称为异化金属还原菌(dissimilatory metal-reducing bacteria,DMRB),可以与自然界铁、锰的氧化物进行电子转移,而外膜蛋白协同金属氧化物可通过改变活性中心的微观环境来影响EAB在环境生物修复中的作用。选取了土壤和沉积物中丰富的电子受体赤铁矿(α-Fe203)作为研究对象进行OmcA与Fe2O3界面电子传递机制的解析。红外光谱分析结果表明,α-Fe203对OmcA具有良好的亲和力,并促使活性中心血红素更加暴露于蛋白表面,进而使细胞色素c表现出更高的反应活性;二维相关光谱分析结果表明,蛋白表面的氨基酸(Thr725,Pro726和Ser727)与α-Fe2O3表面形成氢键引起的结构变化缩短了血红素活性中心铁原子与Fe2O3之间的距离;分子动力学模拟进一步提供了蛋白表面氨基酸在Fe2O3晶面的取向和界面处分子水平的结构信息,以及活性中心至金属氧化物界面的有效电子转移距离分布。这些结果证明电活性微生物-无机金属氧化物的协同作用,可能有利于发挥EAB在环境生物修复和生物能源转换中的作用。3.解偶联剂 3,3’,4’,5-四氯水杨酰苯胺(tetrachlorosalicylanilide,TCS)对Shewanella胞外电子传递的调控。EAB进行胞内代谢、维持生长是其胞外电子转移的前提,环境中存在的解偶联剂为调控EAB的能量代谢和胞外电子转移提供了可能。通过考察不同浓度解偶联剂TCS对微生物燃料电池产电和阳极底物消耗速率的影响,发现50 μg/l的TCS促进了Shewanell 对乳酸的消耗并提高了其产电能力,而400μg/l的TCS却抑制了Shewanella的代谢和产电。据此提出了低浓度TCS改变细胞代谢促进电子传递的多种方案,包括抑制质子动力势、促进电子和质子的泵出,改变代谢途径,抑制氧化磷酸化途径,细胞被迫通过发酵途径代谢底物等。研究结果表明,高浓度的TCS会降低ATP合成酶的活性,抑制细胞的活性和产电。这些结果表明,解偶联剂的适当添加能够为EAB的胞外电子转移提供一种简便的调控手段。4.内源性氧化还原媒介分子核黄素(riboflavin,RF)修饰的碳电极对EAB胞外电子传递过程的调控。除了通过胞内代谢调控电子传递以外,胞外电子受体的界面修饰也是有效的调控手段。通过电化学手段将内源性氧化还原媒介分子RF修饰在石墨烯基底表面,不仅增加电极表面的亲水性,而且阻抗谱结果也显示RF修饰后显著降低了电荷转移电阻;将修饰电极组装为微生物电解池和微生物燃料电池的运行结果表明,RF修饰提高了生物电化学系统的产电能力与稳定性;通过生物膜的电化学表征和分子模拟,发现氧化还原媒介修饰的碳基阳极,能够在分子水平上调节电极表面的电化学和物理性质;氧化还原媒介有机小分子在电化学活性蛋白与无机材料电极之间的“分子桥梁”作用,加速了电子穿梭,改进了电极材料的生物相容性,促进了生物膜生长,从而提高了能量转换效率,这为研发下一代生物电化学系统提供了新的思路。
Abstract
dian hua xue huo xing xi jun (electrochemically active bacteria,EAB)shi zi ran jie zhong yi da lei ke jin hang bao wai hu xi de wei sheng wu ,neng gou dai xie bing zhuai hua huan jing zhong de wu ran wu 。zai gai guo cheng zhong ,EABte you de bao wai dian zi zhuai yi fa hui le chong yao zuo yong ,yin er ke yi li yong gai gong neng gou jian sheng wu dian hua xue ji tong ,tong shi shi xian wu ran wu jiang jie he neng yuan zhuai hua 。mu qian ,guan yu bao wai dian zi zhuai yi de yan jiu qing xiang yu guan zhu bao wai dian zi chuan di tong dao de jie xi ,dan dui yu sheng wu dian hua xue ji tong zhong de jue su bu zhou ,EABhe bao wai dian zi shou ti jie mian de xiang hu zuo yong yi ji dian zi zhuai yi ji zhi reng ran que fa qing xi de ren shi ,er gai jie mian huan man de dian zi zhuai yi su lv shi ji shang shi xian zhi sheng wu dian hua xue ji tong zou xiang ying yong de ping geng 。ben lun wen zhen dui EABwai mo dan bai /dian zi shou ti jie mian dian zi zhuai yi shou xian zhe yi guan jian wen ti ,ji tong xing de tan suo le wai mo dan bai yu dian zi shou ti de jie mian dian zi chuan di ji zhi ,di chu bing yan zheng le xi jun bao nei dai xie he bao wai jie mian xiu shi liang chong diao kong fang shi ,shi xian le bao wai dian zi zhuai yi neng li de jiang hua ,di gao le sheng wu dian hua xue ji tong wu ran wu zhuai hua yu neng liang zhuai huan de de xing neng 。ben lun wen de zhu yao yan jiu nei rong he jie guo ru xia :1.wai mo dan bai OmcAyu dian zi shou ti yang hua dan mo xi (graphene oxide,GO)de jie mian dian zi chuan di ji li 。OmcAshi EABmo shi jun zhu Shewanellade zhu yao wai mo dan bai zhi yi ,er GOke zuo wei sheng wu dian hua xue ji tong yang ji cai liao dan mo xi de qian qu 。jiang di chun de OmcAyu GOgou jian cheng yi ge dian zi zhuai yi ti ji ,bing tong guo dian hua xue ou ge duo chong pu xue de fang fa dui gai sheng wu yu fei sheng wu jie mian de dian zi kua yue jin hang le shi shi jian ce ,tan suo le sheng wu ti ji OmcAyu hua xue ti ji GOzai ti wai de xiang hu zuo yong ji zhi he zhi jie dian zi chuan di guo cheng ;SDS-PAGEhe guang pu biao zheng jie guo zheng shi de dao le chun du gao ju ju you huo xing de OmcA;dan bai mo xun huan fu an fa yi ji zhu liu guang pu dong li xue de fen xi ,biao ming zai bao wai neng gou shi xian OmcAdao GOde dian zi zhuai yi ,ju fan ying dong li xue fu ge mi shi fang cheng ,biao xian chu mei cu fan ying de te zheng ;tong guo yuan er se pu he er wei gong wai xiang guan fen xi ,zai fen zi shui ping shang jie shi le OmcAzai GObiao mian de qu xiang ji zhi jian de dian zi zhuai yi ji li ,fa xian OmcAde an ji yu GOshou xian xing cheng qing jian ,su duan le liang zhe zhi jian de ju li ,bing ban sui zhao OmcAer ji jie gou de qing wei bian hua ;OmcAzhu yao tong guo xian an Ijian yu GOfa sheng zuo yong ,jin yi bu gai bian le dian zi zhuai yi huo xing zhong xin yu GOde ju li ,cong er shi xian le dian zi chuan di su lv de di gao 。zhe xie jie guo you zhu yu li jie fei qi wu neng yuan hua de bao wai dian zi zhuai yi ji zhi ,wei gou jian gao xiao de sheng wu dian hua xue ji tong di gong she ji sai lu 。2.OmcAyu na mi Fe203de jie mian dian zi chuan di ji zhi 。EAByou bei chen wei yi hua jin shu hai yuan jun (dissimilatory metal-reducing bacteria,DMRB),ke yi yu zi ran jie tie 、meng de yang hua wu jin hang dian zi zhuai yi ,er wai mo dan bai xie tong jin shu yang hua wu ke tong guo gai bian huo xing zhong xin de wei guan huan jing lai ying xiang EABzai huan jing sheng wu xiu fu zhong de zuo yong 。shua qu le tu rang he chen ji wu zhong feng fu de dian zi shou ti chi tie kuang (α-Fe203)zuo wei yan jiu dui xiang jin hang OmcAyu Fe2O3jie mian dian zi chuan di ji zhi de jie xi 。gong wai guang pu fen xi jie guo biao ming ,α-Fe203dui OmcAju you liang hao de qin he li ,bing cu shi huo xing zhong xin xie gong su geng jia bao lou yu dan bai biao mian ,jin er shi xi bao se su cbiao xian chu geng gao de fan ying huo xing ;er wei xiang guan guang pu fen xi jie guo biao ming ,dan bai biao mian de an ji suan (Thr725,Pro726he Ser727)yu α-Fe2O3biao mian xing cheng qing jian yin qi de jie gou bian hua su duan le xie gong su huo xing zhong xin tie yuan zi yu Fe2O3zhi jian de ju li ;fen zi dong li xue mo ni jin yi bu di gong le dan bai biao mian an ji suan zai Fe2O3jing mian de qu xiang he jie mian chu fen zi shui ping de jie gou xin xi ,yi ji huo xing zhong xin zhi jin shu yang hua wu jie mian de you xiao dian zi zhuai yi ju li fen bu 。zhe xie jie guo zheng ming dian huo xing wei sheng wu -mo ji jin shu yang hua wu de xie tong zuo yong ,ke neng you li yu fa hui EABzai huan jing sheng wu xiu fu he sheng wu neng yuan zhuai huan zhong de zuo yong 。3.jie ou lian ji 3,3’,4’,5-si lv shui yang xian ben an (tetrachlorosalicylanilide,TCS)dui Shewanellabao wai dian zi chuan di de diao kong 。EABjin hang bao nei dai xie 、wei chi sheng chang shi ji bao wai dian zi zhuai yi de qian di ,huan jing zhong cun zai de jie ou lian ji wei diao kong EABde neng liang dai xie he bao wai dian zi zhuai yi di gong le ke neng 。tong guo kao cha bu tong nong du jie ou lian ji TCSdui wei sheng wu ran liao dian chi chan dian he yang ji de wu xiao hao su lv de ying xiang ,fa xian 50 μg/lde TCScu jin le Shewanell dui ru suan de xiao hao bing di gao le ji chan dian neng li ,er 400μg/lde TCSque yi zhi le Shewanellade dai xie he chan dian 。ju ci di chu le di nong du TCSgai bian xi bao dai xie cu jin dian zi chuan di de duo chong fang an ,bao gua yi zhi zhi zi dong li shi 、cu jin dian zi he zhi zi de beng chu ,gai bian dai xie tu jing ,yi zhi yang hua lin suan hua tu jing ,xi bao bei pai tong guo fa jiao tu jing dai xie de wu deng 。yan jiu jie guo biao ming ,gao nong du de TCShui jiang di ATPge cheng mei de huo xing ,yi zhi xi bao de huo xing he chan dian 。zhe xie jie guo biao ming ,jie ou lian ji de kuo dang tian jia neng gou wei EABde bao wai dian zi zhuai yi di gong yi chong jian bian de diao kong shou duan 。4.nei yuan xing yang hua hai yuan mei jie fen zi he huang su (riboflavin,RF)xiu shi de tan dian ji dui EABbao wai dian zi chuan di guo cheng de diao kong 。chu le tong guo bao nei dai xie diao kong dian zi chuan di yi wai ,bao wai dian zi shou ti de jie mian xiu shi ye shi you xiao de diao kong shou duan 。tong guo dian hua xue shou duan jiang nei yuan xing yang hua hai yuan mei jie fen zi RFxiu shi zai dan mo xi ji de biao mian ,bu jin zeng jia dian ji biao mian de qin shui xing ,er ju zu kang pu jie guo ye xian shi RFxiu shi hou xian zhe jiang di le dian he zhuai yi dian zu ;jiang xiu shi dian ji zu zhuang wei wei sheng wu dian jie chi he wei sheng wu ran liao dian chi de yun hang jie guo biao ming ,RFxiu shi di gao le sheng wu dian hua xue ji tong de chan dian neng li yu wen ding xing ;tong guo sheng wu mo de dian hua xue biao zheng he fen zi mo ni ,fa xian yang hua hai yuan mei jie xiu shi de tan ji yang ji ,neng gou zai fen zi shui ping shang diao jie dian ji biao mian de dian hua xue he wu li xing zhi ;yang hua hai yuan mei jie you ji xiao fen zi zai dian hua xue huo xing dan bai yu mo ji cai liao dian ji zhi jian de “fen zi qiao liang ”zuo yong ,jia su le dian zi chuan suo ,gai jin le dian ji cai liao de sheng wu xiang rong xing ,cu jin le sheng wu mo sheng chang ,cong er di gao le neng liang zhuai huan xiao lv ,zhe wei yan fa xia yi dai sheng wu dian hua xue ji tong di gong le xin de sai lu 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自中国科学技术大学的虞盛松，发表于刊物中国科学技术大学2019-07-12论文，是一篇关于电化学活性细菌论文,胞外电子转移论文,生物电化学系统论文,外膜蛋白论文,解偶联剂论文,核黄素论文,电化学和光谱分析论文,分子模拟论文,中国科学技术大学2019-07-12论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自中国科学技术大学2019-07-12论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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