Electron Acceptor-Dependent Respiratory and Physiological Stratifications in Biofilms

生物膜中電子受體依賴的呼吸和生理分層

來源：Environmental Science & Technology, Volume 49, 2015, pages 196-202

《環境科學與技術》，第49卷，2015年，頁碼196-202

 

摘要：

這篇論文摘要討論了細菌呼吸是生物地球化學循環和生物修復過程的關鍵驅動力，電子受體通常以固體和可溶形式共存于環境中。研究使用微生物燃料電池（MFCs）作為工具，以Shewanella decolorationis為模型，探討生物膜細胞對多種電子受體的響應。當在陽極室中使用azo染料作為替代電子受體時，觀察到生物膜和浮游細胞的不同呼吸模式：浮游細胞偏好使用azo染料，而生物膜細胞同時利用陽極和azo染料進行呼吸。額外的azo呼吸耗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差。改變陰極條件會立即影響陽極電位但不影響生物膜電位。生物膜活性在僅使用陽極或azo染料時呈現反向且呼吸依賴的分布，而在同時使用兩者時增強。這些結果提供了在含多種電子受體環境中細菌呼吸策略的新見解，并支持Shewanella電極呼吸生物膜內的電子跳躍機制。

 

研究目的：

研究目的是理解細菌在多種電子受體存在時的呼吸策略，特別是生物膜細胞如何響應固體和可溶電子受體的共存，以及這種響應如何影響生物電化學系統（BES）的性能。研究旨在探討azo染料作為替代電子受體對陽極生物膜的影響，包括呼吸模式、生理分層和電子轉移機制，為自然環境中生物地球化學過程和生物技術應用提供基礎。

 

研究思路：

研究思路基于使用雙室微生物燃料電池（MFCs），接種Shewanella decolorationis菌株S12，并在陽極室中添加不同濃度的azo染料（如amaranth）作為替代電子受體。通過控制實驗條件（如關閉或打開電路、改變陰極條件），比較MFCs與正常厭氧（NA）反應器的性能。測量指標包括azo染料還原率、電流生成、浮游和生物膜細胞的生長（通過蛋白含量量化）、生物膜結構（使用共聚焦激光掃描顯微鏡觀察）、以及生物膜內的化學微環境（使用丹麥Unisense微電極測量溶解氧、pH和氧化還原電位剖面）。同時，通過活性染色分析生物膜細胞的 viability 分布。整體思路結合電化學、微生物學和生態學方法，從宏觀性能到微觀機制層層深入。

 

測量的數據及研究意義：

1 測量了azo染料還原率和電流生成，數據來自圖1。研究意義在于顯示azo還原與電流生成同時發生，但存在競爭；azo還原率隨濃度增加，而電流在含azo的MFCs中增強，表明電子轉移網絡復雜，為優化BES性能提供依據。

 

2 測量了浮游和生物膜細胞的生長（蛋白含量），數據來自圖2。研究意義在于證明浮游細胞生長主要由azo還原驅動，而生物膜生長同時受益于陽極和azo呼吸，突出了生物膜在資源利用中的優勢，有助于理解微生物群落結構。

 

3 測量了生物膜內的pH和氧化還原電位剖面，使用丹麥Unisense微電極，數據來自圖3。研究意義在于揭示質子積累在僅陽極呼吸生物膜中存在，而azo呼吸耗散該積累；氧化還原電位剖面顯示生物膜與陽極表面的電位差，支持電子跳躍機制，為電子轉移模型提供實驗證據。

 

4 測量了生物膜活性分布（viability），數據來自圖4。研究意義在于顯示生物膜活性在僅使用陽極或azo時呈分層分布（反向模式），而同時使用兩者時活性更高且均勻，表明雙向電子轉移補償了局限性，為多電子受體環境下的微生物適應性提供見解。

 

 

結論：

研究得出結論，Shewanella decolorationis在多種電子受體存在下表現出空間分離的呼吸模式：浮游細胞和生物膜外層細胞偏好使用azo染料，而生物膜內層細胞偏好使用陽極。azo呼吸耗散了質子積累，生物膜氧化還原電位剖面支持介質主導的電子跳躍機制。生物膜活性在同時呼吸時更高且均勻，表明雙向電子轉移增強了微生物適應性。這些發現揭示了生物膜在復雜環境中的呼吸策略，對生物地球化學循環和BES應用有重要意義。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense微電極測量的pH和氧化還原電位數據（來自圖3）具有重要研究意義。這些測量揭示了生物膜內的化學微環境梯度：在僅陽極呼吸生物膜中，pH梯度顯示質子積累（約0.02下降），證實了電子轉移過程中的質子釋放；而azo呼吸耗散了該積累，表明替代電子受體可調節局部pH，影響微生物代謝。氧化還原電位剖面顯示生物膜與陽極表面存在較大電位差（約30mV），且電位在生物膜內先下降后上升，符合電子跳躍機制的預測，支持Shewanella生物膜以 flavins 為介質的電子轉移方式。此外，陰極條件改變影響陽極電位但不影響生物膜電位，表明生物膜內部氧化還原狀態穩定，突出了電子轉移的能量守恒 aspect。這些數據為理解自然環境中微生物與固體電子受體的相互作用提供了直接證據，并指導BES設計以優化電子流和生物修復效率。