Electricity Generation by Shewanella decolorations S12 without Cytochrome c

無色希瓦氏菌S12無細胞色素c的發電

來源：Frontiers in Microbiology, Volume 8, Article 1115, June 2017

《微生物學前沿》，第8卷，文章編號1115，2017年6月

 

摘要

這篇論文研究了細菌胞外電子轉移（EET）過程中非細胞色素c蛋白（ENCP）的作用。盡管外膜c型細胞色素（OMCs）被認為是細菌EET所必需的，但大多數細菌缺乏OMCs，而在生物膜胞外聚合物中存在其他氧化還原蛋白。論文假設ENCP在電子介體促進下可能參與EET。通過比較野生型Shewanella decolorations S12和OMC缺陷突變體的發電能力，發現突變體在正常培養下無法發電，但添加核黃素后恢復至野生型26%的發電能力。生物電化學和X射線光電子能譜分析表明，ENCP如含Fe-S簇的蛋白參與了黃素介導的EET。

 

研究目的

研究目的是驗證ENCP在電子介體存在下是否參與細菌EET過程，并探索OMC非依賴性EET的機制，以理解自然環境中微生物EET的多樣性。

 

研究思路

研究思路包括：使用Shewanella decolorations S12的野生型（WT）和OMC缺陷突變體（MT），在微生物燃料電池（MFC）中比較它們的電極呼吸能力；通過添加核黃素作為電子介體，評估MT的EET恢復情況；利用生理學分析（如生物膜生長、黃素濃度）、電化學方法（循環伏安法、電化學阻抗譜）和光譜學技術（XPS、EDS）研究ENCP的作用機制；通過蛋白酶K處理驗證ENCP在EET中的直接貢獻。

 

測量的數據及研究意義

1 發電能力數據：WT在正常條件下發電達56.4μA，而MT無發電能力；添加核黃素后MT發電恢復至14.4μA（野生型的26%）。這些數據來自圖2A和圖2B。研究意義：直接證明ENCP在電子介體存在下可支持EET，挑戰了OMC為EET唯一途徑的傳統觀點，為拓寬產電微生物資源提供依據。

 

2 生物膜生長和黃素濃度數據：WT和MT生物膜厚度相似（約17μm），但MT生物量較低（15 vs 17.5μg/cm2），MT生物膜黃素分泌能力降低12.9%。這些數據來自圖1。研究意義：表明OMC缺失影響生物膜微環境適應性，但結構完整性保留，ENCP可能作為替代電子傳遞路徑。

 

3 電化學分析數據：CV顯示WT生物膜在-0.25V有尖銳氧化還原峰（OMC-黃素作用），而MT生物膜呈寬峰（ENCP介導）；EIS表明MT電荷轉移電阻高于WT。這些數據來自圖3。研究意義：揭示ENCP介導的EET具有更廣泛的氧化還原特性，區別于OMC的特異性傳遞，為設計混合EET系統提供參考。

 

4 元素和化學鍵分析數據：EDS檢測到生物膜中Fe元素（WT 0.11%，MT 0.07%），XPS在163.5eV顯示Fe-S鍵特征峰。這些數據來自圖4。研究意義：證實ENCP中含Fe-S簇等氧化還原中心，可直接參與電子傳遞，支持ENCP在介導EET中的結構基礎。

 

5 蛋白酶敏感性數據：蛋白酶K處理使MT發電降低84%。這些數據來自圖2B。研究意義：直接證明ENCP是MT發電的功能性組件，強調蛋白質組分在EET中的關鍵作用。

 

結論

論文得出結論：OMC缺陷菌株在電子介體存在下能通過ENCP實現EET；含Fe-S簇的ENCP是黃素介導電子傳遞的重要參與者；ENCP的廣泛存在提示其在自然和工程化EET過程中可能發揮未被充分認識的作用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極測量的溶解氧剖面數據用于量化生物膜內氧梯度。研究意義在于：該技術可高分辨率空間監測微生物微環境氧動態，顯示從生物膜-液體界面（0.08mM）到電極界面（0.01mM）的氧濃度梯度（文檔生理分析方法部分）。這證實了生物膜內厭氧微環境的存在，為理解OMC缺陷菌株在缺氧條件下的代謝限制提供直接證據。此外，氧剖面數據與生物膜生長結果關聯，表明氧可用性差異影響MT菌株的呼吸適應性，突顯微環境測量在解析EET生理約束中的價值。