微生物胞内产生的电子转移到其他电子受体而获得能量的过程称为微生物胞外电子传递,其中,另一微生物作为电子受体时发生的电子传递称为微生物种间电子传递.根据微生物种间电子传递机制,可分间接种间电子传递和种间直接电子传递.由于种间直接电子传递不需要其他物质介导,因此较间接种间电子传递效率更高、能量利用更高.本文系统阐述了微生物进行胞外电子传递的机理及应用,重点分析了种间直接电子传递机理,并概述种间直接电子传递应用领域,为寻找更多电连接的微生物群落以及应用微生物提供参考.

添加导电碳颗粒能够促进厌氧消化过程稳定性、底物降解率以及产沼气品质的同步提高.本文总结了以活性炭和生物炭为代表的导电碳颗粒对城市污泥厌氧消化的影响,探讨了导电碳颗粒促进城市污泥厌氧消化的机理,阐述了导电碳颗粒介导的微生物直接种间电子传递(Direct interspecies electron transfer,DIET)在强化污泥厌氧消化中的作用机制,分析了复杂厌氧消化体系中微生物DIET互营关系的研究现状,同时对导电碳颗粒的物理化学特性及其对污泥厌氧消化产甲烷的影响进行了分析,最后对未来导电碳颗粒促进城市污泥厌氧消化的研究进行了展望.

为解决低C/N值含氮废水在处理过程中碱度和碳源不足的问题,通过电极电势调控的方式干预氨氧化脱氮及生物膜电化学活性.在处理碱度不足(1.0 g/L NaHCO3)的低C/N含氮废水时,外加正电势+0.3、+0.4、+0.6 V(vs Ag/AgCl),系统氨氧化率分别为54.59％、59.31％、37.97％,相较于不加电势体系(70.79％),最大降低了46.24％;外加负电势-0.6、-0.8、-1.0 V(vs Ag/AgCl)时,氨氧化率分别为93.41％、79.27％、83.23％,相较于不加电势时最大提高了31.95％;但总氮去除率在正负电势条件下均有提高,与对照组(9.38％)相比,最高总氮去除率为23.47％,达对照组的2.5倍.CV扫描结果显示,外加电势后工作电极生物膜在-0.25 V至-0.35 V范围出现还原峰,对照组无明显峰出现,且电流相较对照组更大,对比说明外加电势能够调控生物膜的电化学活性.16S rRNA分析发现,对比未加电势,外加电极电势后电极生物膜中的放线菌门相对丰度减少,变形菌门和绿弯菌门相对丰度增加,Nitrosomonas sp.、Nitrosospira sp.、Bradyrhizobiaceae sp.及Rhodanobacter sp.等具有氨氧化和反硝化作用的菌属被同步富集.本研究基于脱氮菌组成及其电化学活性,推测存在硝化/反硝化氮素转化的直接种间电子传递(DIET)途径,促进了低C/N值废水脱氮.

厌氧条件下,微生物可以通过厌氧代谢产生甲烷(CH4),由此衍生的厌氧消化技术可实现能源的回收利用.产CH4的关键步骤是刺激发酵细菌和产甲烷古菌之间的有效电子转移,电活性微生物可以取代传统的氢/甲酸盐实现直接种间电子传递,其电子传递效率更高.添加导电材料可以促进直接种间电子传递并提高CH4产率,是一种更有效的强化电子传递方式.本文在梳理直接种间电子传递发展和机理的基础上,综述了常见的促进直接种间电子传递的碳基和铁基导电材料,对其结构特征、电子传递机理、强化产CH4和中间产物消耗等方面进行了系统总结.旨在为导电材料促进直接种间电子传递的研究提供参考,并探讨了未来可能的研究方向.

种间电子传递可促进微生物发生共代谢,因而在地球生物化学循环和环境污染修复中具有重要意义.根据电子传递方式的不同可将种间电子传递分为直接种间电子传递(direct interspecies electron transfer,DIET)和间接种间电子传递(mediated interspecies electron transfer,MIET),其中,直接种间电子传递由于易发生、效率高而受到更加广泛的关注.本文总结了近年来关于种间电子传递的研究进展,阐述了种间电子传递的途径,比较了 DIET和MIET的优缺点,并对开发更多具有种间电子传递功能的微生物提出了建议,以期加深人们对于种间电子传递的理解,并对未来该领域的研究提供参考.

磁铁矿是自然界中广泛存在的矿物之一,其与互营微生物间的直接接触过程中常常伴随发生不同的电子传递"策略机制",从而直接或间接地提升了微生物的种间电子传递(interspecific electron transfer,IET)过程,有助于互营微生物间的共生长及代谢.这种效应将促进一些环境新能源的可再生应用.系统综述了基于磁铁矿促进强化IET过程中的主要作用机制:(1)磁铁矿具有良好的氧化还原特性,可作为储存电子的"环境电池";(2)磁铁矿表现出良好的导电性,可与OmcS蛋白具有等同效应;(3)磁铁矿对微生物具有特定的生理应激效应,可刺激胞外聚合物的分泌并激活与电子相关的酶活性等.概述了现阶段磁铁矿作为一种廉价的介导材料用于提升IET的环境应用,特别是在强化生物甲烷应用实现二氧化碳减排、微生物脱氯、脱氮及厌氧氧化甲烷等生物工程应用领域中具有无限潜力.针对现阶段应用磁铁矿提升IET环境过程中存在的不足,提出:(1)将磁铁矿作填充床,作为内置厌氧消化装置;(2)对磁铁矿进行修饰/改性,降低铁流失从而提高其稳定性.未来工作将聚焦在结合多组学、同位素标记及搭建可行的方法体系,解析磁铁矿强化直接IET(DIET)作用机制,并深入探究磁铁矿的铁磁效应及促进DIET过程的关联效应.