Bidirectional microbial electron transfer: Switching an acetate oxidizing biofilm to nitrate reducing conditions

雙向微生物電轉移將醋酸鹽氧化生物膜轉化為硝酸鹽還原條件

來源：Biosensors and Bioelectronics 75 (2016) 352–358

 

一、摘要概述

論文摘要指出，本研究通過電化學表征（循環伏安法CV和差分脈沖伏安法DPV）探討了電活性生物膜中雙向電子轉移的機制。實驗首先在陽極條件下（乙酸氧化，電極電位+397 mV vs. SHE）培養成熟生物膜，然后切換至陰極條件（硝酸鹽還原，電極電位-303 mV vs. SHE）。結果表明，乙酸氧化和硝酸鹽還原發生在相似的形式電位（約-175 mV vs. SHE），生物膜主要由Geobacter sp.組成，暗示可能使用相同的電子傳導通路進行雙向電子轉移。

二、研究目的

本研究旨在闡明“可切換”電活性生物膜中雙向電子轉移的主要機制，特別是從乙酸氧化到硝酸鹽還原的轉換過程，以揭示細菌是否使用相同的電子轉移通道。研究重點包括驗證生物膜在雙向操作中的電化學行為、識別關鍵微生物種群，并為生物電化學系統（BES）的優化提供理論依據。

三、研究思路

研究采用三電極系統反應器（圖1），工作流程如下：

 

生物膜培養：從活性污泥接種，在陽極條件下（乙酸為電子供體，電極極化在+397 mV vs. SHE）通過三個批次循環培養成熟生物膜，直至可見紅色生物膜形成（表明Geobacter富集）。

條件切換：將生物膜切換至陰極條件，更換為硝酸鹽介質（硝酸鹽為電子受體），電極極化在-303 mV vs. SHE，進行兩個批次循環。

電化學表征：使用CV和DPV在周轉（有底物）和非周轉（無底物）條件下表征電子轉移機制，計算形式電位（Ef）。

微生物分析：通過DGGE和16S rRNA測序分析生物膜群落結構，確認優勢菌種。

 

產物監測：利用化學分析（如硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度）和丹麥Unisense微傳感器檢測反硝化產物（如N2O），驗證反應路徑。

 

四、測量數據及研究意義

以下列出關鍵測量數據，注明來源（圖或表），并解釋其研究意義。數據以描述性列表呈現，避免表格形式。

 

電流密度變化（來自圖2）

 

數據：在陽極條件下，電流密度逐漸增加至穩定（例如R-2中最大電流密度約0.2 A/m2），顯示生物膜成熟；切換至陰極條件后，出現負電流密度（約-0.02 A/m2），表明電子攝取用于硝酸鹽還原。

 

研究意義：電流符號變化直接證實生物膜能雙向操作，從氧化到還原的轉換成功，為后續機制分析提供基礎。

 

形式電位（Ef）測量（來自圖3和表1）

 

 

數據：陽極周轉條件下Ef為-175±5 mV，陰極周轉條件下Ef為-175±34 mV；非周轉條件下Ef分別為-159±22 mV和-158±33 mV。

 

研究意義：形式電位高度相似（均約-175 mV）表明乙酸氧化和硝酸鹽還原可能通過相同的電子轉移機制進行，支持雙向電子轉移假說。Ef的穩定性提示Geobacter sp.的主導作用。

 

微生物群落分析（來自圖4和圖5）

 

 

數據：DGGE譜圖顯示Geobacter sp.為優勢菌（帶寬相對強度在陽極條件下為16.8%，陰極條件下為27.4%）；其他菌如Rhodocyclaceae在陽極條件豐富（16.7%），但陰極條件下消失，而Synergistetes在陰極條件增加至26.0%。系統發育樹（圖5）確認Geobacter sp.與已知菌株相似度>99%。

 

研究意義：Geobacter sp.的持續主導表明其是雙向電子轉移的關鍵驅動者；群落變化反映環境適應性，但核心電子轉移機制由Geobacter維持。

 

硝酸鹽還原產物檢測（使用丹麥Unisense電極）

 

數據：通過Unisense N2O微傳感器測量N2O濃度，結合硝酸鹽消耗（從32.1 mgN-NO??/L降至0）和亞硝酸鹽積累，計算庫侖效率（CE全路徑為14±1%，硝酸鹽至亞硝酸鹽段為35±4%）。

 

研究意義：這部分將在第六部分詳細解讀。

 

五、結論

本研究得出以下結論：

 

機制統一性：電活性生物膜能使用相同的電子通道（形式電位約-175 mV）進行雙向電子轉移，從乙酸氧化切換至硝酸鹽還原，無需改變核心傳導通路。

微生物主導：Geobacter sp.是生物膜的主要功能菌，其在雙向條件下的持續性表明其電子轉移能力的魯棒性。

應用價值：為“可切換”BES設計提供了理論基礎，例如在廢水處理中實現同一生物膜的多功能化，但需注意Geobacter富集的條件優化。

 

局限性：形式電位相似性提示機制共享，但分子水平證據（如細胞色素作用）需進一步研究。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量的數據的研究意義

丹麥Unisense電極在本研究中用于測量硝酸鹽還原產物N?O，其研究意義至關重要：

 

測量原理：Unisense N?O微傳感器基于電化學原理，通過高選擇性電極實時檢測密封反應頂空中N?O濃度變化（靈敏度達nM級），無需取樣，避免系統擾動。

數據來源：在陰極條件下（文檔2.4節和3.2節），Unisense傳感器監測N?O生成，結合硝酸鹽和亞硝酸鹽分析（通過標準化學方法），驗證反硝化路徑（NO?? → NO?? → N?O → N?）。

研究意義：

 

驗證生物催化活性：N?O檢測確認硝酸鹽還原是生物驅動的（非生物對照中無N?O生成），排除電極直接還原的可能，強化生物膜催化作用的證據。

量化反應效率：通過N?O數據和電荷量計算庫侖效率（CE），顯示電子利用效率較低（全路徑CE=14±1%），表明部分電子用于競爭反應或損失，為優化電子轉移路徑提供指標。

過程監控與動力學分析：實時N?O濃度曲線幫助跟蹤反硝化動力學，確保實驗可重復性；例如，N?O積累模式可反映中間產物動態，間接評估Geobacter的酶活性。

 

技術優勢：Unisense傳感器的無損性和高時空分辨率適用于微環境研究（如本反應器體積1L），提供連續數據，彌補了離線方法的不足，增強了整個研究的可靠性。

 

對雙向電子轉移的貢獻：Unisense數據直接將電子攝取（電流密度）與化學反應（N?O生成）關聯，證實陰極條件下電子轉移的有效性，從而支持形式電位相似性的結論——即同一機制驅動雙向過程。

 

總之，Unisense電極數據不僅是反應驗證的工具，更是連接電化學和微生物活動的橋梁，為雙向電子轉移機制提供了關鍵實驗支持。