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微生物胞外呼吸电子传递机制研究进展

生态学报 2011年第7期31卷 2008-2018页

作者：马晨周顺桂庄莉武春媛广东省生态环境与土壤研究所广州510650 中国科学院广州地球化学研究所广州510640 中国科学院研究生院北京100049

胞外呼吸是近年来发现的新型微生物厌氧能量代谢方式,主要包括铁呼吸、腐殖质呼吸与产电呼吸3种形式。微生物胞外呼吸与传统的有氧呼吸、胞内厌氧呼吸存在显著差异。其电子受体多以固态形式存在于胞外;氧化产生的电子必须通过电子传递... 详细信息

胞外呼吸是近年来发现的新型微生物厌氧能量代谢方式,主要包括铁呼吸、腐殖质呼吸与产电呼吸3种形式。微生物胞外呼吸与传统的有氧呼吸、胞内厌氧呼吸存在显著差异。其电子受体多以固态形式存在于胞外;氧化产生的电子必须通过电子传递链从胞内转移到细胞周质和外膜,并通过外膜上的细胞色素c、纳米导线或自身产生的电子穿梭体等方式,最终将电子传递至胞外的末端受体。胞外呼吸的本质问题是微生物与胞外电子受体(铁/锰氧化物、固态电极或腐殖质等)的相互作用,即微生物如何将胞内电子传递至胞外受体。胞外呼吸的研究丰富了人们对微生物呼吸多样性的认识,同时在污染物原位修复及清洁生物能源提取方面具有重要应用前景,是当前研究的热点问题。总结了胞外呼吸类型和胞外呼吸菌的多样性,重点阐述了胞外呼吸的电子传递过程,并提出了其应用前景及今后的研究方向。

关键词：胞外呼吸电子传递链细胞色素c 细胞外膜

三株革兰氏阳性胞外呼吸菌新种的分离鉴定及其胞外电子传递机制初探

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三株革兰氏阳性胞外呼吸菌新种的分离鉴定及其胞外电子传递机制初...

作者：郭军辉上海海洋大学

学位级别：硕士

微生物胞外呼吸是近年来发现的新型微生物能量代谢方式之一,它是指厌氧条件下,微生物在细胞内彻底氧化有机物并释放电子,产生的电子经呼吸链从细胞质膜传递至胞外电子受体,并使其还原,同时偶联能量的产生维持微生物自身生长的过程。它... 详细信息

微生物胞外呼吸是近年来发现的新型微生物能量代谢方式之一,它是指厌氧条件下,微生物在细胞内彻底氧化有机物并释放电子,产生的电子经呼吸链从细胞质膜传递至胞外电子受体,并使其还原,同时偶联能量的产生维持微生物自身生长的过程。它的发现拓宽了人们对微生物呼吸多样性的认识,可为微生物呼吸方式的进化和微生物多样性的研究提供科学依据。根据胞外电子受体的不同,胞外呼吸主要分为腐殖质呼吸、铁呼吸和产电呼吸3种形式。胞外呼吸的本质是微生物与胞外电子受体(腐殖质、铁/锰氧化物或固态电极等)的相互作用,即微生物如何实现呼吸链上电子转移至胞外不溶性的电子受体,因此电子传递机制成为了胞外呼吸菌研究的关键问题。胞外呼吸的核心是胞外呼吸菌,目前胞外呼吸的研究主要集中于革兰氏阴性菌,而有关阳性胞外呼吸菌的研究却刚刚起步。革兰氏阳性菌作为自然界胞外呼吸环境中的重要微生物类群,其纯培养微生物的挖掘、胞外呼吸功能的研究及胞外电子传递机制的探索具有重要的科学意义及应用价值。本论文以“革兰氏阳性胞外呼吸菌”为核心,构建了“胞外呼吸菌-腐殖质/Fe(III)/偶氮染料”的三个反应体系。首先从原始森林土壤和堆肥等环境样品中分离到三株革兰氏阳性胞外呼吸菌,通过细胞形态特征、生理生化特征、细胞化学和分子生物学特征的测定和分析,证实该三株菌为分类学上的新种。利用厌氧恒温培养技术验证菌株对胞外电子受体(腐殖质、Fe(III)氧化物、电极)的还原能力,同时考察菌株潜在环境应用价值,验证其对厌氧偶氮染料(Orange I)的脱色能力。另外,结合循环伏安特性曲线、紫外/可见光谱扫描和细胞外膜蛋白SDS-PAGE等表征手段,研究菌株外膜细胞色素c,考察其在不同电子受体下的表达差异,揭示菌株可能存在的胞外电子传递机制。本文的主要结论如下:(1)分别从原始森林土壤和堆肥中分离到两株革兰氏阳性兼性厌氧菌GSS08和GD05T及一株革兰氏阳性严格厌氧菌GSS09。经多项分类学鉴定,菌株GSS08和GSS09分别代表芽孢杆菌属和脱硫肠状菌属的新种,并将其命名为Bacillus nitroreducens sp.nov.GSS08和Desulfotomaculum ferrireducens sp.nov.GSS09;菌株GD05T代表芽孢杆菌科的新属新种,并将其命名为Sinibacillus soli gen.***.sp.nov.GD05T。(2)胞外呼吸功能验证结果表明,GSS08具有腐殖质还原能力,GD05T能进行腐殖质还原并具有厌氧偶氮染料脱色的环境应用价值。菌株GSS09具有较高的腐殖质/Fe(III)还原能力,作为脱硫肠状菌属中具有较强铁还原效果的典型菌株,选择其作为研究革兰氏阳性菌胞外电子传递机制的测试材料。(3)构建GSS09的微生物燃料电池模型,研究其可能存在的胞外电子传递机制。不同电子供体进行产电能力试验表明,产电能力规律为:丙酮酸钠>乙酸钠>丙三醇>葡萄糖>乙醇>乳酸钠。循环伏安法特性曲线表明,GSS09可以在微生物燃料电池阳极形成具有电化学活性的微生态系统—“生物膜”参与胞外电子传递。同时结合紫外/可见光谱扫描和全细胞蛋白SDS-PAGE等表征手段,发现菌株外膜含有细胞色素c,在不同受体条件下细胞外膜血红素c活性蛋白的表达量明显不同。由此推测菌株GSS09可能借助于外膜细胞色素c进行胞外电子传递,实现对末端电子受体的还原,完成胞外呼吸作用。

关键词：胞外呼吸腐殖质系统分类外膜细胞色素c 胞外电子传递

成团泛菌MFC-3的分离鉴定及其腐殖质/Fe(Ⅲ)呼吸特性研究

同方学位论文库评论

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环境科学 2010年第1期31卷 237-242页

作者：武春媛李芳柏周顺桂庄莉王跃强中国科学院广州地球化学研究所广州510640 广东省生态环境与土壤研究所广东省农业环境综合治理重点实验室广州510650

从地下古森林沉积物样品中富集分离到1株腐殖质/Fe(Ⅲ)还原菌MFC-3菌株,经16S rDNA基因序列分析,该菌与成团泛菌Pantoea agglomerans WAB1951的相似性为99%,确定为成团泛菌.通过序批式厌氧实验考察了MFC-3的腐殖质呼吸活性、电子利用情... 详细信息

从地下古森林沉积物样品中富集分离到1株腐殖质/Fe(Ⅲ)还原菌MFC-3菌株,经16S rDNA基因序列分析,该菌与成团泛菌Pantoea agglomerans WAB1951的相似性为99%,确定为成团泛菌.通过序批式厌氧实验考察了MFC-3的腐殖质呼吸活性、电子利用情况以及对4种铁氧化物的还原活性.结果表明,MFC-3能够以AQDS为唯一电子受体进行厌氧胞外呼吸,可利用的电子供体有:甲酸、乳酸、丙三醇、柠檬酸、葡萄糖和蔗糖,且AQDS还原速率顺序为:蔗糖>葡萄糖>柠檬酸>乳酸>丙三醇>甲酸;以葡萄糖作为电子供体时,48 h内0.3 mmol.L-1的AQDS被还原,同时4.5 mmol.L-1葡萄糖被消耗,菌数增殖近7倍,证明MFC-3能够进行腐殖质呼吸;MFC-3还能以多种Fe(Ⅲ)氧化物为电子受体进行厌氧呼吸,25 d内分别有2.5 mmol.L-1水铁矿、2.1 mmol.L-1纤铁矿、2.3 mmol.L-1针铁矿及0.8 mmol.L-1赤铁矿被还原溶解.本研究为胞外呼吸研究与应用提供1株适宜的模式菌株.

关键词：成团泛菌腐殖质铁氧化物腐殖质/Fe(Ⅲ)呼吸胞外呼吸

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微生物纳米导线的结构与功能：争议及进展

土壤学报 2023年

作者：叶银周顺桂刘星福建农林大学资源与环境学院

土壤胞外呼吸是驱动元素生物地球化学循环的引擎，而微生物纳米导线是实现土壤胞外呼吸的重要途径。微生物纳米导线是一类生长于微生物表面，可长达数十微米的具有导电性的纤维状结构。它直接作用于微生物与土壤矿物、产甲烷与甲烷氧化... 详细信息

土壤胞外呼吸是驱动元素生物地球化学循环的引擎，而微生物纳米导线是实现土壤胞外呼吸的重要途径。微生物纳米导线是一类生长于微生物表面，可长达数十微米的具有导电性的纤维状结构。它直接作用于微生物与土壤矿物、产甲烷与甲烷氧化微生物间的电子传递，从而影响了土壤矿物的迁移转化及温室气体减排。Geobactersulfurreducens是研究微生物纳米导线的模式微生物。长久以来，基于分子生物学实验证据表明，G. sulfurreducens纳米导线是PilA-N菌毛。而最近基于冷冻电镜技术的纳米导线结构分析发现，G. sulfurreducens实际上表达着各种形式的细胞色素c纳米导线。自此，关于“纳米导线本质”的问题成为学术界争论的焦点。以G. sulfurreducens纳米导线理论发展为主线，综述了不同时期对纳米导线结构与功能的认识，并系统分析了作为“纳米导线本质”争议的证据基础，将推动该争议的早日解决，并助力土壤胞外呼吸理论的成熟及微生物纳米导线的应用研究。

关键词：胞外电子传递胞外呼吸微生物纳米导线 Geobacter

腐殖质电化学特性及其介导的胞外电子传递研究进展

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应用与环境生物学报 2015年第6期21卷 996-1002页

作者：蔡茜茜袁勇胡佩周顺桂唐家桓四川师范大学化学与材料科学学院成都610066 广东省生态环境与土壤研究所广东省农业环境综合治理重点实验室广州510650

腐殖质是环境中广泛存在的富含醌基、非均相的天然有机混合物,是土壤中的主要电活性物质,在环境微生物驱动的电子转移过程有重要作用.本文介绍了腐殖质氧化还原活性及其电子转移能力的表征方法,并详细对比了不同测定方法的优缺点;阐述... 详细信息

腐殖质是环境中广泛存在的富含醌基、非均相的天然有机混合物,是土壤中的主要电活性物质,在环境微生物驱动的电子转移过程有重要作用.本文介绍了腐殖质氧化还原活性及其电子转移能力的表征方法,并详细对比了不同测定方法的优缺点;阐述了腐殖质介导的胞外电子传递胞外电子传递过程,其本质是环境微生物以腐殖质作为电子受体,氧化环境中的有机小分子物质,并偶联能量的产生和支持菌体的生长,形成一种新型厌氧呼吸形式——腐殖质呼吸;腐殖质呼吸作用产生的还原态腐殖质可以还原环境中的一些氧化态污染物质,如重金属、有机污染物和有机染料等.此外,腐殖质也可以介导微生物与固体电极间的电子传递,从而促进生物电化学系统中的生物电流产生.由于腐殖质介导的微生物胞外电子传递机制复杂,未来将主要通过现代光学和蛋白组学等最新技术来研究微生物胞外电子传递过程以及其与腐殖质的相互作用机制;此外,采用醌基修饰等方法增强腐殖质的电子转移能力,有望加速其介导的微生物胞外电子传递过程,以便将其应用于实际环境修复.

关键词：腐殖质电化学活性可逆电子穿梭体胞外电子传递胞外呼吸

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群感效应对电活性微生物胞外电子传递的影响

微生物学报 2020年第11期60卷 2399-2411页

作者：杨钰婷陈瑾陈姗姗周顺桂福建农林大学资源与环境学院福建省土壤环境健康与调控重点实验室福建福州350002

群感效应(quorum sensing,QS)是微生物之间以信号分子受体蛋白感知信号浓度变化,从而调控菌群的行为及功能,使其适应环境变化的信号通讯机制。电活性微生物(electroactive microorganisms,EAMs)能进行胞外电子传递,在可再生能源利用和... 详细信息

群感效应(quorum sensing,QS)是微生物之间以信号分子受体蛋白感知信号浓度变化,从而调控菌群的行为及功能,使其适应环境变化的信号通讯机制。电活性微生物(electroactive microorganisms,EAMs)能进行胞外电子传递,在可再生能源利用和环境修复方面具有广阔的应用前景。近年来,关于QS在EAMs胞外电子传递中的作用的研究日益增多。本文总结了QS对纯EAMs或混合产电菌群的直接或间接电子传递的影响效应及机制,阐述了基于QS的EAMs逻辑与门的构建及其应用前景,并从机制研究的角度展望其未来发展方向。

关键词：群感效应信号分子电活性微生物胞外呼吸逻辑与门

铁氨氧化:新型的厌氧氨氧化过程及其生态意义

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福建农林大学学报（自然科学版） 2018年第1期47卷 1-7页

作者：钟小娟王亚军唐家桓张峦周顺桂福建农林大学资源与环境学院福建福州350002

近年研究发现,以胞外电子受体(铁锰氧化物)代替亚硝酸盐,在以铵离子为唯一电子供体的条件下驯化,可以氧化铵离子同步实现金属离子的还原,这种兼具"厌氧氨氧化"和"铁还原"特点的生物化学过程,称为铁氨氧化.在本质上,铁氨氧化是微生物催... 详细信息

近年研究发现,以胞外电子受体(铁锰氧化物)代替亚硝酸盐,在以铵离子为唯一电子供体的条件下驯化,可以氧化铵离子同步实现金属离子的还原,这种兼具"厌氧氨氧化"和"铁还原"特点的生物化学过程,称为铁氨氧化.在本质上,铁氨氧化是微生物催化氨氧化耦合铁还原的生物反应过程.在微生物生态学领域,铁氨氧化过程作为一种新型的观点,是地球生态系统氮素循环的重要途径,这种观点对于理解地球化学元素诸如驱动地球上微小动植物生长的氮和铁的循环有重要作用,然而目前还很少关于铁氨氧化过程的理论研究,本文总结了铁氨氧化的发现历程,阐述了铁氨氧化过程的电子传递机制及其影响因素,从氮循环、铁循环和胞外电子呼吸等方面详细论述了铁氨氧化过程在生态学方面的意义,并指出了铁氨氧化的研究方向以及重点.

关键词：铁氨氧化氮循环铁循环胞外呼吸

电子穿梭体及其介导的环境与地球化学过程研究进展

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生态环境学报 2021年第1期30卷 213-222页

作者：张玉龙陈雪丽吴云当华南农业大学资源环境学院广东广州510640 广东省科学院生态环境与土壤研究所/广东省农业环境综合治理重点实验室广东广州510650 华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心广东广州510650

电子穿梭体是一类可通过自身氧化还原介导电子转移的化学物质的统称。在地球表层系统中,电子穿梭体可加速微生物向细胞外部进行的电子传递,参与矿物的微生物还原,驱动碳、氮、硫元素循环,并偶联有机污染物降解和重金属迁移转化。电子穿... 详细信息

电子穿梭体是一类可通过自身氧化还原介导电子转移的化学物质的统称。在地球表层系统中,电子穿梭体可加速微生物向细胞外部进行的电子传递,参与矿物的微生物还原,驱动碳、氮、硫元素循环,并偶联有机污染物降解和重金属迁移转化。电子穿梭在自然界中存在广泛,对于元素循环、污染物环境行为以及微生物的生存行为影响深远,具有重要的环境地球化学意义。因此,该文以自然界存在的典型电子穿梭体为阐述对象,综述了以腐殖质、硫单质和生物炭为代表的三类典型穿梭体的反应特性。其中,腐殖质是土壤中天然存在的分布最广的穿梭体,硫单质是碱性环境下最典型的穿梭体,而生物炭则是稻田系统中人为输入的穿梭体。以上述三类穿梭体为核心,该文系统阐述了穿梭过程与碳氮循环、铁循环和污染物迁移转化的相互关系、以及穿梭体对微生物菌群变化产生的影响。在碳氮循环过程中,穿梭体主要参与有机碳的厌氧消耗、二氧化碳向甲烷的转化、氨氧化以及氧化亚氮向氮气的转化过程;在铁循环过程中,穿梭体主要影响氧化铁的还原溶解、含铁矿物的晶型转变以及氧化铁还原耦合的砷、铬污染物转化过程;而穿梭体作为电子受体,还可改变微生物的生长与竞争关系,调控微生物菌群。文章深入分析了穿梭过程在地球表层系统中产生的环境效应与生态效应,并提出了本领域今后需关注的重点,可为穿梭行为的进一步研究提供思考依据。

关键词：电子穿梭体氧化铁胞外电子传递胞外呼吸希瓦氏菌地杆菌

穿梭体影响微生物群落胞外电子传递过程的研究

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生态环境学报 2017年第8期26卷 1419-1425页

作者：陈丹丹罗小波李芳柏中国科学院广州地球化学研究所广东广州510640 中国科学院大学北京100039 广东省生态环境技术研究所广东广州510650

微生物是土壤、湖泊、沉积物中重要的活性物种。胞外呼吸是微生物主要的能量代谢方式,是微生物与胞外受体间进行电子传递的主要路径。胞外电子传递过程是胞外呼吸作用的重要组成部分,影响着环境中的物质转变和能量交换。研究发现胞外电... 详细信息

微生物是土壤、湖泊、沉积物中重要的活性物种。胞外呼吸是微生物主要的能量代谢方式,是微生物与胞外受体间进行电子传递的主要路径。胞外电子传递过程是胞外呼吸作用的重要组成部分,影响着环境中的物质转变和能量交换。研究发现胞外电子传递方式主要包括直接电子传递和间接电子传递两大类。其中,直接电子传递方式主要分为直接接触、纳米导线和纳米导线网络;间接电子传递以穿梭体介导的电子传递为主。腐殖质是自然界中重要的氧化还原活性物种,能作为穿梭体参与间接电子传递过程。已有的研究表明穿梭体能影响单菌体系微生物胞外电子传递过程,但其影响微生物群落胞外电子传递过程的研究更具实际意义。本实验以浅海沉积物为研究对象,构建微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC),结合电化学方法研究在核黄素、AQDS、2-HNQ 3种穿梭体介导下,微生物群落燃料电池的输出电压、极化曲线、功率密度等电化学参数的变化情况,以此来表征穿梭体对微生物群落胞外电子传递过程的影响。研究结果表明:(1)浅海沉积物中存在能进行胞外呼吸的微生物且能成功启动微生物燃料电池;(2)穿梭体的表观电极电位越低,其介导的微生物燃料电池的输出电压越高,此研究结果与纯菌体系相同;(3)纯菌体系中穿梭体的表观电极电位是胞外电子传递速率的决定因素,但在群落体系中并不成立。

关键词：胞外呼吸电子穿梭体微生物燃料电池表观电极电位浅海沉积物