陰溝腸桿菌SgZ-5T回收Pd納米棒的胞外電子傳遞機制研究
發(fā)布時間：2020-05-12 01:04
【摘要】：電化學活性微生物可以把通過底物代謝所獲得的電子,以直接或間接的方式傳遞給胞外電子受體,從而實現污染物降解和金屬回收等目的。因此,研究其胞外電子傳遞機制對能源轉換、環(huán)境修復和生物技術應用等方面具有重要意義。本論文首先分離出一株具有電化學活性的陰溝腸桿菌SgZ-5T,并發(fā)現它能特異性還原貴金屬鈀(Pd)。在此基礎上利用電化學、譜學、代謝組和轉錄組學等技術研究了SgZ-5T還原Pd(Ⅱ)的作用機制,得到的結論如下:(1)SgZ-5T能還原Pd(Ⅱ)并產生Pd納米棒,但還原其他金屬離子如金、銀等的能力則較弱。與還原Pd(Ⅱ)前比較:電化學微分脈沖伏安曲線圖顯示SgZ-5T與Pd(Ⅱ)作用后表現出不同的電化學行為,其兩對氧化還原峰電位發(fā)生明顯的偏移;SgZ-5T細胞表面變得光滑,其外膜蛋白的特征紅外譜峰發(fā)生明顯的變化,CO_2紅外譜峰的消失意味著其代謝方式的改變;氣相色譜、高效液相色譜及其質譜數據結果顯示SgZ-5T不僅可以分泌出氫醌,還可以在Pd(Ⅱ)的誘導下調節(jié)自身的代謝途徑分泌出核黃素。此外,在含Pd(Ⅱ)的溶液中未檢測到氫醌,本文猜測可能是它吸附在Pd納米棒表面。(2)經代謝組和轉錄組學分析,SgZ-5T與Pd(Ⅱ)作用前比較,YqjG基因編碼的谷胱甘肽-氫醌還原合成酶的表達量未發(fā)生顯著的變化,使得SgZ-5T還原Pd(Ⅱ)后的氫醌的豐度也未發(fā)生顯著的變化。另一方面,6-磷酸葡萄糖酸、核酮糖-5-磷酸、核糖-5-磷酸、果糖-6-磷酸和核黃素的豐度顯著增加,表示Pd誘導了核黃素合成酶的產生,使得ribE基因編碼的核黃素合成酶表達量顯著上調。這些顯著的差異再次證實了SgZ-5T在Pd(Ⅱ)的誘導下調節(jié)其代謝方式來回收貴金屬Pd。(3)紫外可見光譜數據表明,通過添加3.33μM氫醌、3.33μM核黃素和3.33μM氫醌與3.33μM核黃素,Pd(Ⅱ)還原率分別提高了5%、5.5%和30%,證明了在雙介體氫醌與核黃素的協同作用下,SgZ-5T能明顯提高對Pd(Ⅱ)的回收效率。綜上所述,本文研究了陰溝腸桿菌SgZ-5T利用雙介體進行胞外電子傳遞來回收貴金屬Pd的作用機制,發(fā)展和完善了電化學活性微生物胞外電子傳遞機制,這對于理解微生物還原金屬過程及其生物地球化學過程具有重要意義。
【圖文】：
圖 1-1 地桿菌屬和希瓦氏菌屬的胞外電子傳遞機制[15]Fig.1-1 The distinct extracellular electron transfer mechanisms operative inGeobacter spp. and Shewanella spp.[15]在微生物系統(tǒng)中，胞外電子傳遞是能量轉移和轉換的重要方面，尤其是在固相電子受體如不溶性金屬氧化物或電極等表面。細胞之間需要直接接觸或利用導電性附屬物（納米導線）進行電子傳遞。在厭氧呼吸過程中，，希瓦氏菌和硫還原地桿菌等利用細胞膜上氧化還原蛋白如細胞色素 c 將電子從胞內傳遞到胞外（如圖 1-1 所示），這些細胞色素 c 可吸附在細胞外膜上并作為直接的電子穿梭通路將電子傳遞到胞外電子受體，如含Fe(III)以及含 Mn(III)，Mn(Ⅳ)礦物[16-18]，參與細胞表面的電子傳遞。以希瓦氏菌MR-1 為例，目前研究最多的 4 種 c-型細胞色素分別是 MtrA、MtrB、MtrC 和OmcA[19-21]，它們大多位于細胞周質或外膜上，其功能已經基本清楚。Beliaev 等人研究發(fā)現[22]，這些 c-型細胞色素，以及孔狀外膜蛋白 MtrB 都直接參與希瓦氏菌MR-1胞外還原含 Fe(III)礦物的過程。Lower等人在研究中發(fā)現，MtrC和OmcA可以相互接觸并識別胞外受體，在將電子直接傳導給含 Fe(III)礦物，暴露在蛋白
圖 1-2 外膜蛋白 MtrF 與 α-Fe2O3納米粒子特異性結合[2Fig.1-2 MtrF binds specifically to α-Fe2O3nanoparticles[26究發(fā)現，地桿菌屬進行直接電子傳遞主要依靠通過微實現的（如圖 1-1）。2005 年，Reguera 等人首次發(fā)菌 DL-1 的菌毛具有導電性，并將這些在特定條件下形成的類似纖毛的具有納米尺寸的管狀物稱為微生，Gorby 等人在 PNAS 發(fā)表的文獻報道希瓦氏菌的菌ey 的研究成果顯示硫還原地桿菌能產生類似金屬導線導線[29]。這種蛋白微絲不需要細胞色素 c，也可以遠微生物本身的數千倍。電子遠距離傳遞是研究生物電發(fā)現，對生物地球化學、微生物生態(tài)學和新興的生物幾年上述認識正在逐漸發(fā)生改變。Strycharz 等人提出為硫還原地桿菌產生的胞內電子是通過鞭毛內的細胞傳遞的。值得關注的是，MtrC 和 OmcA 也與胞外結構
【學位授予單位】：福建農林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X172;X703
本文編號：2659366
【圖文】：
圖 1-1 地桿菌屬和希瓦氏菌屬的胞外電子傳遞機制[15]Fig.1-1 The distinct extracellular electron transfer mechanisms operative inGeobacter spp. and Shewanella spp.[15]在微生物系統(tǒng)中，胞外電子傳遞是能量轉移和轉換的重要方面，尤其是在固相電子受體如不溶性金屬氧化物或電極等表面。細胞之間需要直接接觸或利用導電性附屬物（納米導線）進行電子傳遞。在厭氧呼吸過程中，，希瓦氏菌和硫還原地桿菌等利用細胞膜上氧化還原蛋白如細胞色素 c 將電子從胞內傳遞到胞外（如圖 1-1 所示），這些細胞色素 c 可吸附在細胞外膜上并作為直接的電子穿梭通路將電子傳遞到胞外電子受體，如含Fe(III)以及含 Mn(III)，Mn(Ⅳ)礦物[16-18]，參與細胞表面的電子傳遞。以希瓦氏菌MR-1 為例，目前研究最多的 4 種 c-型細胞色素分別是 MtrA、MtrB、MtrC 和OmcA[19-21]，它們大多位于細胞周質或外膜上，其功能已經基本清楚。Beliaev 等人研究發(fā)現[22]，這些 c-型細胞色素，以及孔狀外膜蛋白 MtrB 都直接參與希瓦氏菌MR-1胞外還原含 Fe(III)礦物的過程。Lower等人在研究中發(fā)現，MtrC和OmcA可以相互接觸并識別胞外受體，在將電子直接傳導給含 Fe(III)礦物，暴露在蛋白
圖 1-2 外膜蛋白 MtrF 與 α-Fe2O3納米粒子特異性結合[2Fig.1-2 MtrF binds specifically to α-Fe2O3nanoparticles[26究發(fā)現，地桿菌屬進行直接電子傳遞主要依靠通過微實現的（如圖 1-1）。2005 年，Reguera 等人首次發(fā)菌 DL-1 的菌毛具有導電性，并將這些在特定條件下形成的類似纖毛的具有納米尺寸的管狀物稱為微生，Gorby 等人在 PNAS 發(fā)表的文獻報道希瓦氏菌的菌ey 的研究成果顯示硫還原地桿菌能產生類似金屬導線導線[29]。這種蛋白微絲不需要細胞色素 c，也可以遠微生物本身的數千倍。電子遠距離傳遞是研究生物電發(fā)現，對生物地球化學、微生物生態(tài)學和新興的生物幾年上述認識正在逐漸發(fā)生改變。Strycharz 等人提出為硫還原地桿菌產生的胞內電子是通過鞭毛內的細胞傳遞的。值得關注的是，MtrC 和 OmcA 也與胞外結構
【學位授予單位】：福建農林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X172;X703
【參考文獻】
相關期刊論文 前4條
1 范傳勇;;貴金屬二次資源的回收利用與展望[J];銅業(yè)工程;2014年03期
2 張鳳霞;張志剛;燕菲;;貴金屬回收技術綜述[J];節(jié)能與環(huán)保;2010年10期
3 向磊;;我國貴金屬回收產業(yè)發(fā)展綜述[J];世界有色金屬;2007年06期
4 胡洪波,梁潔,劉月英,傅錦坤;微生物吸附貴金屬的研究與應用[J];微生物學通報;2002年03期
本文編號：2659366
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