圖3、微生態位中H2產生的增強。(a)H2濃度隨深度的變化，游離奧奈達湖桿菌作為對照。通過可調節溶液深度的氫微電極檢測H 2濃度。(b)游離SW細胞（黑色圓圈）中H2量的時間依賴性測量，微生態位凝結有不同濃度的Ca2+（5 mM（綠色方塊），10 mM（藍色三角形）和20 mM（紫色倒三角形）。選擇1 mL 1%海藻酸鈉和1 mL S.oneidensis懸浮液（OD 600=4.0，109細胞/mL）為所有測試準備微生態位。數據以平均值±SD表示，誤差線表示標準偏差（n=3，生物學獨立樣本）。(c)使用OD 600為3.0（綠色）、4.0（藍色）和5.0（紫色）的細菌懸浮液制備的微生態位，H 2的時間依賴性生產。(d)S.oneidensis MR-1(MR-1)/G微生態位的薄切片冷凍SEM圖像，顯示海藻酸鹽基質內的S.oneidensis細胞（綠色）。比例尺，15μm。(e)MR-1/G微生態位內部結構的放大冷凍掃描電鏡圖像，顯示微生態位中奧奈達湖桿菌細胞和石墨烯之間的相互作用。比例尺2μm。(f,g)天然奧奈達湖桿菌(f)以及奧奈達湖桿菌和石墨烯混合物(g)的TUNA當前圖像以及相應的統計直方圖（插圖）。通過統計直方圖中的高斯曲線得到單峰擬合。(h)分別由奧奈達湖桿菌細胞（綠色）、MR-1 PDA（藍色）、MR-1/G（紫色）和MR-1/海藻酸鈉（紅色）制備的微生態位的EIS奈奎斯特圖。實線表示擬合結果，擬合電路如圖所示。(i)H 2產生游離的奧奈達湖桿菌與細胞色素c、核黃素和中性紅，持續7天。

圖4、微生態位內的細菌間電子傳遞路徑。(a)由六個突變體制備的微生態位7天產生H2。選擇1 mL 1%海藻酸鈉和1 mL奧奈達湖桿菌細胞懸液（OD 600=4.0，109細胞/mL）為所有測試準備微生態位。(b)石墨烯（黑網）和PDA、膜蛋白（包括CymA、MtrA、MtrB、MtrC、OmcA）和未知血紅素蛋白（未知路徑）在微生態位內奧奈達湖桿菌細胞之間的電子傳遞中的作用。所有電位均針對SHE（E 0′，pH=7，T=298.15 k）、小周質細胞色素（即StcA）、小四血紅素細胞色素（STC）。(c)天然奧奈達湖桿菌細胞（上）和MR-1 PDA細胞（下）的表面粗糙度測量。（d）本地奧奈達湖桿菌（上）和MR-1 PDA（下）的楊氏模量統計直方圖，并通過高斯曲線進行單峰擬合。與原生奧奈達湖桿菌（16.2 nm，110 MPa）相比，MR-1 PDA的粗糙度和楊氏模量有所增加（22.9 nm，162 MPa），這與SEM一致。(e)奧奈達湖桿菌MR-1、MR-1 PDA和MR-1/G的CV曲線。(f)TUNA MR-1 PDA的當前圖像以及相應的統計直方圖(插圖)。通過統計直方圖中的高斯曲線得到單峰擬合。(g)MR-1 PDA微生態位、MR-1/G微生態位、MR-1 PDA/G微生態位和微生態位的H2的時間依賴性產生LB中含有20 mM乳酸鈉。

圖5、微生態位的長期H2生產。(a)奧奈達湖桿菌在微生態位中的時間依賴性存活。(b)H2生產過程中微生態位尺寸的變化。(c)產生H2 12天后微生態位中奧奈達湖桿菌細胞的細胞內NADH/NAD+比率，以及(d)奧奈達湖桿菌的細胞干重(DCW)生產H 2 12天后的微生態位中的奧奈達湖桿菌細胞，其是通過在40℃真空干燥后稱重干奧奈達湖桿菌細胞沉淀而獲得的。(e)H2生產過程中微生態位的pH值隨時間的變化。(f)MR-1 PDA微生態位、MR-1/G微生態位、MR-1 PDA/G微生態位和中的微生態位隨時間的累積H 2產量用20 mM乳酸鈉進行LB。培養基隨著Ca2+的重新交聯而更新，以重新開始H2的產生，直到30天。


結論與展望


本研究將活微生物和非生命基質協同整合到新的人工微生態系統中是生物制造尤其是可持續能源技術發展的關鍵挑戰。研究人員開發了一種創建基于奧奈達湖桿菌的導電微利基的方法，通過整合石墨烯、聚多巴胺和藻酸鹽來提高氫氣產量。研究發現呼吸代謝會誘導微生態位內的局部缺氧條件，并且有線的細胞外電子逆轉從外部環境到周質氫化酶的轉移途徑，從而有助于提高產氫率，與傳統方法相比，提高了約12.7倍。溶液中游離的希瓦氏菌。值得注意的是整個組裝過程表現出良好的生物相容性，確保微生態位內的希瓦氏菌能夠維持30天的產氫能力。本研究的系統可以為促進H2生產提供一個創新平臺。該領域的發展。預計這種通過創建活體/非活體混合微聯合體來促進微生物功能的開發策略，可以為各種組裝活細胞材料的向前發展貢獻一個新的范例，并在各種綠色生物制造中具有潛在的應用。