【摘要】：電化學(xué)活性細(xì)菌(electrochemically active bacteria,EAB)是自然界中一大類可進(jìn)行胞外呼吸的微生物,能夠代謝并轉(zhuǎn)化環(huán)境中的污染物。在該過程中,EAB特有的胞外電子轉(zhuǎn)移發(fā)揮了重要作用,因而可以利用該功能構(gòu)建生物電化學(xué)系統(tǒng),同時(shí)實(shí)現(xiàn)污染物降解和能源轉(zhuǎn)化。目前,關(guān)于胞外電子轉(zhuǎn)移的研究?jī)A向于關(guān)注胞外電子傳遞通道的解析,但對(duì)于生物電化學(xué)系統(tǒng)中的決速步驟,EAB和胞外電子受體界面的相互作用以及電子轉(zhuǎn)移機(jī)制仍然缺乏清晰的認(rèn)識(shí),而該界面緩慢的電子轉(zhuǎn)移速率實(shí)際上是限制生物電化學(xué)系統(tǒng)走向應(yīng)用的瓶頸。本論文針對(duì)EAB外膜蛋白/電子受體界面電子轉(zhuǎn)移受限這一關(guān)鍵問題,系統(tǒng)性地探索了外膜蛋白與電子受體的界面電子傳遞機(jī)制,提出并驗(yàn)證了細(xì)菌胞內(nèi)代謝和胞外界面修飾兩種調(diào)控方式,實(shí)現(xiàn)了胞外電子轉(zhuǎn)移能力的強(qiáng)化,提高了生物電化學(xué)系統(tǒng)污染物轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)換的的性能。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1.外膜蛋白OmcA與電子受體氧化石墨烯(graphene oxide,GO)的界面電子傳遞機(jī)理。OmcA是EAB模式菌株Shewanella的主要外膜蛋白之一,而GO可作為生物電化學(xué)系統(tǒng)陽極材料石墨烯的前驅(qū)。將提純的OmcA與GO構(gòu)建成一個(gè)電子轉(zhuǎn)移體系,并通過電化學(xué)耦合多種譜學(xué)的方法對(duì)該生物與非生物界面的電子跨越進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),探索了生物體系OmcA與化學(xué)體系GO在體外的相互作用機(jī)制和直接電子傳遞過程;SDS-PAGE和光譜表征結(jié)果證實(shí)得到了純度高且具有活性的OmcA;蛋白膜循環(huán)伏安法以及駐流光譜動(dòng)力學(xué)的分析,表明在胞外能夠?qū)崿F(xiàn)OmcA到GO的電子轉(zhuǎn)移,且反應(yīng)動(dòng)力學(xué)符合米氏方程,表現(xiàn)出酶促反應(yīng)的特征;通過圓二色譜和二維紅外相關(guān)分析,在分子水平上揭示了 OmcA在GO表面的取向及之間的電子轉(zhuǎn)移機(jī)理,發(fā)現(xiàn)OmcA的氨基與GO首先形成氫鍵,縮短了兩者之間的距離,并伴隨著OmcA二級(jí)結(jié)構(gòu)的輕微變化;OmcA主要通過酰胺I鍵與GO發(fā)生作用,進(jìn)一步改變了電子轉(zhuǎn)移活性中心與GO的距離,從而實(shí)現(xiàn)了電子傳遞速率的提高。這些結(jié)果有助于理解廢棄物能源化的胞外電子轉(zhuǎn)移機(jī)制,為構(gòu)建高效的生物電化學(xué)系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)思路。2.OmcA與納米Fe203的界面電子傳遞機(jī)制。EAB又被稱為異化金屬還原菌(dissimilatory metal-reducing bacteria,DMRB),可以與自然界鐵、錳的氧化物進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移,而外膜蛋白協(xié)同金屬氧化物可通過改變活性中心的微觀環(huán)境來影響EAB在環(huán)境生物修復(fù)中的作用。選取了土壤和沉積物中豐富的電子受體赤鐵礦(α-Fe203)作為研究對(duì)象進(jìn)行OmcA與Fe2O3界面電子傳遞機(jī)制的解析。紅外光譜分析結(jié)果表明,α-Fe203對(duì)OmcA具有良好的親和力,并促使活性中心血紅素更加暴露于蛋白表面,進(jìn)而使細(xì)胞色素c表現(xiàn)出更高的反應(yīng)活性;二維相關(guān)光譜分析結(jié)果表明,蛋白表面的氨基酸(Thr725,Pro726和Ser727)與α-Fe2O3表面形成氫鍵引起的結(jié)構(gòu)變化縮短了血紅素活性中心鐵原子與Fe2O3之間的距離;分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步提供了蛋白表面氨基酸在Fe2O3晶面的取向和界面處分子水平的結(jié)構(gòu)信息,以及活性中心至金屬氧化物界面的有效電子轉(zhuǎn)移距離分布。這些結(jié)果證明電活性微生物-無機(jī)金屬氧化物的協(xié)同作用,可能有利于發(fā)揮EAB在環(huán)境生物修復(fù)和生物能源轉(zhuǎn)換中的作用。3.解偶聯(lián)劑 3,3',4',5-四氯水楊酰苯胺(tetrachlorosalicylanilide,TCS)對(duì)Shewanella胞外電子傳遞的調(diào)控。EAB進(jìn)行胞內(nèi)代謝、維持生長(zhǎng)是其胞外電子轉(zhuǎn)移的前提,環(huán)境中存在的解偶聯(lián)劑為調(diào)控EAB的能量代謝和胞外電子轉(zhuǎn)移提供了可能。通過考察不同濃度解偶聯(lián)劑TCS對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電和陽極底物消耗速率的影響,發(fā)現(xiàn)50 μg/l的TCS促進(jìn)了Shewanell 對(duì)乳酸的消耗并提高了其產(chǎn)電能力,而400μg/l的TCS卻抑制了Shewanella的代謝和產(chǎn)電。據(jù)此提出了低濃度TCS改變細(xì)胞代謝促進(jìn)電子傳遞的多種方案,包括抑制質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)、促進(jìn)電子和質(zhì)子的泵出,改變代謝途徑,抑制氧化磷酸化途徑,細(xì)胞被迫通過發(fā)酵途徑代謝底物等。研究結(jié)果表明,高濃度的TCS會(huì)降低ATP合成酶的活性,抑制細(xì)胞的活性和產(chǎn)電。這些結(jié)果表明,解偶聯(lián)劑的適當(dāng)添加能夠?yàn)镋AB的胞外電子轉(zhuǎn)移提供一種簡(jiǎn)便的調(diào)控手段。4.內(nèi)源性氧化還原媒介分子核黃素(riboflavin,RF)修飾的碳電極對(duì)EAB胞外電子傳遞過程的調(diào)控。除了通過胞內(nèi)代謝調(diào)控電子傳遞以外,胞外電子受體的界面修飾也是有效的調(diào)控手段。通過電化學(xué)手段將內(nèi)源性氧化還原媒介分子RF修飾在石墨烯基底表面,不僅增加電極表面的親水性,而且阻抗譜結(jié)果也顯示RF修飾后顯著降低了電荷轉(zhuǎn)移電阻;將修飾電極組裝為微生物電解池和微生物燃料電池的運(yùn)行結(jié)果表明,RF修飾提高了生物電化學(xué)系統(tǒng)的產(chǎn)電能力與穩(wěn)定性;通過生物膜的電化學(xué)表征和分子模擬,發(fā)現(xiàn)氧化還原媒介修飾的碳基陽極,能夠在分子水平上調(diào)節(jié)電極表面的電化學(xué)和物理性質(zhì);氧化還原媒介有機(jī)小分子在電化學(xué)活性蛋白與無機(jī)材料電極之間的“分子橋梁”作用,加速了電子穿梭,改進(jìn)了電極材料的生物相容性,促進(jìn)了生物膜生長(zhǎng),從而提高了能量轉(zhuǎn)換效率,這為研發(fā)下一代生物電化學(xué)系統(tǒng)提供了新的思路。
【圖文】：

邐第一章文獻(xiàn)綜述邐逡逑染元素的遷移轉(zhuǎn)化以及重金屬污染區(qū)域的生物修復(fù)有著重要影響。由于ＥＡＢ需逡逑要以有機(jī)底物作為電子供體和碳源，因而也同時(shí)參與了邋Ｃ、０、Ｎ等元素的地球逡逑化學(xué)循環(huán)。在有機(jī)污染物的生物降解方面，Ｇ．邐而ｃｅｍ能有效氧化酚類ｆ２１ｌ逡逑細(xì)菌則可有效降解偶氮染料和蒽醌等［１５］。逡逑１．２．２電化學(xué)活性細(xì)菌的胞外電子轉(zhuǎn)移機(jī)理逡逑經(jīng)典電子傳遞鏈?zhǔn)怯梢恍┝形挥诩?xì)胞質(zhì)膜上，氧化還原電勢(shì)從低到高排列的逡逑電子傳遞體組成，主要位于胞內(nèi)。對(duì)于ＥＡＢ，，其電子傳遞鏈不僅包括從內(nèi)膜到外逡逑膜的胞內(nèi)電子傳遞鏈，而且更重要的是有一組甚至多組可實(shí)現(xiàn)電子從外膜到最終逡逑電子受體的胞外傳遞鏈。逡逑邋邐邐邐？？…？？……………逡逑

逑氫酶完成跨膜泵出，在內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子梯度，膜外高濃度質(zhì)子通過ＡＴＰ合成逡逑酶回流，釋放能量，驅(qū)動(dòng)ＡＴＰ合成，具體過程如圖１－ｌｄ所示。這一過程稱為氧逡逑化磷酸化，耦合了電子傳遞過程和ＡＴＰ合成過程［２８］。逡逑ＣＡＲＢＯＮ邋ＣＬＯＴＨ邋ＣＡＲＢＯＮ邋ＢＲＵＳＨ邋ＣＡＲＢＯＮ邋ＲＯＤ邋ＣＡＲＢＯＮ邋ＭＥＳＨ邋ＣＡＲＢＯＮ邋ＶＥＩＬ逡逑＿數(shù)｜１＿＿逡逑ＣＡＲＢＯＮ邋ＰＡＰＥＲ邋ＣＡＲＢＯＮ邋ＦＥＬＴ邋ＧＲＡＮＵＬＡＲ邐ＧＲＡＮＵＬＡＲ邐ＣＡＲＢＯＮＩＺＥＤ逡逑ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ邐ＧＲＡＰＨＩＴＥ邐ＣＡＲＤＢＯＡＲＤ逡逑灥灥逡逑圖１－２常見碳基底材料相片圖［２９］。（ａ）碳布，（ｂ）碳刷，（ｃ）碳棒，（ｄ）碳網(wǎng)，（ｅ）碳紗，（ｆ）逡逑碳紙，（ｇ）碳毯，（ｈ）顆�；钚蕴迹ǎ椋┦�，（ｊ）碳紙板逡逑表１－２石墨烯和碳納米管等碳基陽極材料逡逑陽極碳材料邐特性邐最大功率密度逡逑石墨烯泡沫［３Ｇ］邐高導(dǎo)電性，高表面積邐７８６ｍＷ／ｍ２逡逑碳納米管海綿［３〖］邐３Ｄ骨架，低內(nèi)阻等邐１８２邋Ｗ／ｍ３逡逑３Ｄ石墨烯泡沫鎳［３２］邐高比表面積，均一的邐６６］邋Ｗ／ｍ３逡逑大孔隙骨架逡逑多壁碳納米管／殼聚糖［３３］邐３Ｄ微通道結(jié)構(gòu)邐２８７０邋ｍＷ／ｍ２逡逑殼聚糖／真空剝離石墨烯［３４］生物相容性，分層孔邐１５３０邋ｍＷ／ｍ２逡逑結(jié)構(gòu)逡逑石墨烯海綿／不銹鋼［３５］邐低成本邐１５７０邋ｍＷ／ｍ２逡逑碳納米管纖維［３６］邐高導(dǎo)電
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X172;TM911.45

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本文編號(hào)：2668827