摘要

細(xì)菌呼吸是生物地球化學(xué)循環(huán)和生物修復(fù)過(guò)程中的重要驅(qū)動(dòng)力。 細(xì)菌呼吸的電子受體通常以固體和可溶性形式存在于環(huán)境中。 了解附著在固體電子受體上的固著細(xì)菌對(duì)環(huán)境可溶性替代電子受體的反應(yīng)是很重要的。 微生物燃料電池（MFC）為研究這種相互作用提供了一個(gè)有用的工具。 在Shewanella脫色的MFC中，偶氮染料被用作陽(yáng)極室中的替代電子受體。 生物膜和浮游細(xì)胞的呼吸模式不同，浮游細(xì)胞更喜歡用偶氮染料呼吸，而生物膜細(xì)胞同時(shí)用陽(yáng)極和偶氮染料呼吸。 額外的偶氮呼吸驅(qū)散了陽(yáng)極生物膜內(nèi)的質(zhì)子積累。 生物膜與陽(yáng)極表面之間存在較大的氧化還原電位間隙。 改變陰極條件會(huì)立即影響陽(yáng)極電位，但不會(huì)影響生物膜電位。 當(dāng)僅使用陽(yáng)極或偶氮染料呼吸時(shí)，生物膜活性表現(xiàn)出與呼吸相反的依賴性曲線，當(dāng)同時(shí)使用兩者呼吸時(shí)，生物膜活性增強(qiáng)。 這些結(jié)果為細(xì)菌在含有多個(gè)電子受體的環(huán)境中的呼吸策略提供了新的見解，并支持Shewanella電極呼吸生物膜內(nèi)的電子跳躍機(jī)制。

介紹

厭氧微生物呼吸是地球地下生物地球化學(xué)循環(huán)和各種生物修復(fù)過(guò)程中的核心驅(qū)動(dòng)力。1,2細(xì)菌呼吸的電子受體一般可分為兩種形式，即可溶性電子受體，如硝酸鹽、硫酸鹽、， 溶解氧和固體電子受體，如Fe（III）和Mn（IV），主要以礦物形式存在。 這兩種形式的電子受體在大多數(shù)自然環(huán)境中普遍存在。 因此，了解附著在固體電子受體表面的細(xì)菌細(xì)胞如何與其他環(huán)境可溶性電子受體相互作用是理解整個(gè)生物地球化學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)。

添加有利的電子受體如Fe（III）或硝酸鹽被認(rèn)為是刺激污染場(chǎng)地生物修復(fù)的一種有希望的策略 ? 5代表性微生物燃料電池（MFC）的生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）為細(xì)菌（外電）提供一個(gè)陽(yáng)極作為固體電子受體，同時(shí)在污染環(huán)境中發(fā)電和進(jìn)行生物修復(fù)。6,7， BES為理解細(xì)菌和固體電子受體（如電極、礦物或其細(xì)菌伙伴）之間的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制提供了一種新的、可量化的工具。 BES應(yīng)用的一個(gè)重要問(wèn)題是替代電子受體（如O2、硝酸鹽、硫酸鹽或CO2）在復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)中的普遍性。8 ? 10理論上，替代電子受體的存在可能會(huì)消散流向陽(yáng)極的電子流，并影響B(tài)ES的性能。 然而，與直覺(jué)相反，一些研究報(bào)告表明，不同的細(xì)菌呼吸可能同時(shí)發(fā)生，甚至在BES中相互增強(qiáng)，9,11,12表明現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的BES中的微生物電子轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)可能比預(yù)期的更復(fù)雜。

陽(yáng)極呼吸生物膜在BES中起著關(guān)鍵作用。 陽(yáng)極呼吸生物膜中的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制已被深入研究，但仍存在爭(zhēng)議。13 ? 15兩種細(xì)菌 ? 最近提出了電極電子轉(zhuǎn)移模型，包括電子跳躍和類金屬導(dǎo)電性。14,15物理化學(xué)微環(huán)境（例如pH、氧化還原電位和擴(kuò)散效率）和生理特性（例如轉(zhuǎn)錄、活力和代謝物） 由于電子向電極轉(zhuǎn)移，陽(yáng)極內(nèi)的呼吸生物膜在空間上分層。16 ? 19這些發(fā)現(xiàn)為理解自然環(huán)境中陽(yáng)極呼吸生物膜和礦物呼吸生物膜內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制提供了關(guān)鍵信息。 然而，迄今為止，大多數(shù)關(guān)于BES的研究都是使用陽(yáng)極作為唯一的電子受體進(jìn)行的，因此關(guān)于多個(gè)電子受體的存在如何影響陽(yáng)極生物膜的信息很少。

在這項(xiàng)研究中，我們測(cè)試了偶氮染料莧菜紅，一種廣泛存在于紡織廢水中的化學(xué)物質(zhì)，作為代表性的替代電子受體，以檢查其對(duì)MFC陽(yáng)極生物膜的影響。 MFC接種了謝瓦氏脫色菌，這是一種形成生物膜的外電原。 在MFC中，交替電子受體隨著電流的產(chǎn)生而同時(shí)減少。 在陽(yáng)極室中，浮游生物和生物膜細(xì)胞的呼吸發(fā)生了空間分異。 在陽(yáng)極生物膜內(nèi)觀察到電子受體依賴的化學(xué)和生理分層，表明在存在多個(gè)電子受體的情況下，Shewanella生物膜內(nèi)存在分層和靈活的電子轉(zhuǎn)移模式。

生物膜的呼吸系統(tǒng)和生理層次中的電子受體的依賴性——摘要、介紹

生物膜的呼吸系統(tǒng)和生理層次中的電子受體的依賴性——材料和方法

生物膜的呼吸系統(tǒng)和生理層次中的電子受體的依賴性——結(jié)果和討論

生物膜的呼吸系統(tǒng)和生理層次中的電子受體的依賴性——結(jié)論、致謝！