摘要


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

介紹


厭氧微生物呼吸是地球地下生物地球化學循環和各種生物修復過程中的核心驅動力。1,2細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自然環境中普遍存在。 因此，了解附著在固體電子受體表面的細菌細胞如何與其他環境可溶性電子受體相互作用是理解整個生物地球化學過程的基礎。


添加有利的電子受體如Fe（III）或硝酸鹽被認為是刺激污染場地生物修復的一種有希望的策略 ? 5代表性微生物燃料電池（MFC）的生物電化學系統（BES）為細菌（外電）提供一個陽極作為固體電子受體，同時在污染環境中發電和進行生物修復。6,7， BES為理解細菌和固體電子受體（如電極、礦物或其細菌伙伴）之間的電子轉移機制提供了一種新的、可量化的工具。 BES應用的一個重要問題是替代電子受體（如O2、硝酸鹽、硫酸鹽或CO2）在復雜環境系統中的普遍性。8 ? 10理論上，替代電子受體的存在可能會消散流向陽極的電子流，并影響BES的性能。 然而，與直覺相反，一些研究報告表明，不同的細菌呼吸可能同時發生，甚至在BES中相互增強，9,11,12表明現場應用的BES中的微生物電子轉移網絡可能比預期的更復雜。


陽極呼吸生物膜在BES中起著關鍵作用。 陽極呼吸生物膜中的電子轉移機制已被深入研究，但仍存在爭議。13 ? 15兩種細菌 ? 最近提出了電極電子轉移模型，包括電子跳躍和類金屬導電性。14,15物理化學微環境（例如pH、氧化還原電位和擴散效率）和生理特性（例如轉錄、活力和代謝物） 由于電子向電極轉移，陽極內的呼吸生物膜在空間上分層。16 ? 19這些發現為理解自然環境中陽極呼吸生物膜和礦物呼吸生物膜內的電子轉移機制提供了關鍵信息。 然而，迄今為止，大多數關于BES的研究都是使用陽極作為唯一的電子受體進行的，因此關于多個電子受體的存在如何影響陽極生物膜的信息很少。


在這項研究中，我們測試了偶氮染料莧菜紅，一種廣泛存在于紡織廢水中的化學物質，作為代表性的替代電子受體，以檢查其對MFC陽極生物膜的影響。 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生而同時減少。 在陽極室中，浮游生物和生物膜細胞的呼吸發生了空間分異。 在陽極生物膜內觀察到電子受體依賴的化學和生理分層，表明在存在多個電子受體的情況下，Shewanella生物膜內存在分層和靈活的電子轉移模式。


生物膜的呼吸系統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

生物膜的呼吸系統和生理層次中的電子受體的依賴性——結果和討論

生物膜的呼吸系統和生理層次中的電子受體的依賴性——結論、致謝！