介绍产电微生物胞外电子传递(extracellular electron transfer,EET)研究的背景和意义,概述细胞色素c、菌毛蛋白、电子介体等多种分子在EET过程中的作用,综述近年来利用网络方法和组学方法研究产电微生物EET过程的相关工作.从蛋白网络、调控网络与整合网络等方面总结网络分析方法在关键电子传递分子识别、电子传递模块挖掘、电子传递途径推断等方面的应用;从基因组、转录组、蛋白组、多组学与宏组学等方面总结使用组学方法识别电子传递基因及其功能分析方面的研究;介绍整合生物网络与组学数据在产电微生物EET过程生物分子协调利用、关键基因与基因簇识别等方面的研究.探讨当前存在的问题,展望未来整合多种生物网络和组学数据开展产电微生物EET研究的方向.

电活性微生物奥奈达希瓦氏菌的胞外电子传递(extracellular electron transfer,EET)在污染物降解、环境修复、生物电化学传感、能源利用等方面具有广泛的应用潜力;四血红素细胞色素CctA(small tetraheme cytochrome)是希瓦氏菌周质空间中最丰富的蛋白质之一,能够参与多种氧化还原过程,但目前对CctA在EET中的行为和机理认识仍然有限.[目的]研究阐明CctA蛋白在希瓦氏菌模式菌株MR-1周质空间以偶氮染料作为电子受体的EET中的作用,补充和拓展希瓦氏菌的厌氧呼吸产能机制.[方法]以周质还原型偶氮染料甲基橙(methyl orange,MO)作为电子受体,在mteal reduction(Mtr)蛋白缺失菌株△mtr中研究MO的周质还原特点,并通过基因敲除和回补表达研究CctA蛋白在周质电子传递中的作用.[结果]在缺失Mtr通道的情况下,细胞色素CctA可以介导周质空间的电子传递而还原MO.重组表达CctA在低水平时,MO在周质空间中的还原速率与其表达水平呈正相关,更高水平的CctA表达无助于进一步提高MO的还原速率.蛋白膜伏安结果展示了 CctA与周质空间内其他高电位氧化还原蛋白的显著区别,可能参与构成一条低电位的MO还原通道.[结论]从分子动力学层面揭示了 CctA在周质MO还原中的独特电子传递行为,为进一步推进对细菌周质电子传递机制的理解,以及通过合成生物学设计或改造胞外氧化还原系统、强化生物电化学在污染物降解中的应用提供了重要信息.

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.

微生物是生物地球化学元素循环的重要驱动者,在锰等变价金属元素的氧化还原过程中起着至关重要的作用.近年来,Mn(Ⅲ)的发现以及在一些环境中的广泛存在,丰富了人们对Mn(Ⅲ)以及自然界锰循环过程的认识.研究发现,锰的生物地球化学循环,尤其是锰还原过程,与微生物胞外电子传递紧密相关,且目前已知的5种胞外电子传递机制均与锰还原有关联.因此,本文综述了锰的生物地球化学循环及其意义,并从微生物胞外电子传递的机制、微生物介导锰氧化、微生物介导锰还原等3个方面来介绍参与锰循环的微生物多样性;以及微生物地球化学锰循环的环境意义.对微生物参与锰循环过程的研究不仅可以进一步丰富相关理论,同时也能推动生物除锰、污染物原位修复及生物冶金等应用领域的发展.

电活性微生物的胞外电子传递在微生物电合成、矿物生物浸出、生物质能回收及污染物原位修复等方面表现出广阔的应用前景,因而受到研究者们的广泛关注.现综述近年来电活性微生物胞外电子传递过程及其应用的相关研究成果,指出该领域面临的主要问题和发展方向.未来应加强微生物胞外电子传递路径及分子机制等方面的研究,分离筛选更高效的电活性菌种,优化反应器工艺设计,拓宽电活性微生物的应用领域,提高相应设备的效率.

甲烷是重要的温室气体,同时也是广泛的可再生能源.深刻认识甲烷代谢过程中的微观机理可为人类实现甲烷的减排及其作为能源的合理利用打下坚实的理论基础.古菌介导的直接电子传递(DET)作为甲烷代谢的重要途径,已成为近年来环境微生物领域的研究热点.本文对互营氧化产甲烷、电能无机自养产甲烷以及厌氧甲烷氧化3个过程中参与DET的微生物进行综述,并着重阐述它们各自的发生机理.DET既存在于甲烷合成代谢,又涉及厌氧甲烷氧化.前者根据电子来源的不同,可分为微生物种间DET产甲烷和电能无机自养产甲烷两种类型.后者则是甲烷氧化古菌将甲烷氧化产生的电子传递至胞外电子受体.在甲烷合成代谢过程中,产甲烷古菌主要通过互营细菌外膜细胞色素蛋白、菌毛或导电性固体3种方式进行电子的直接吸收.相反,甲烷氧化古菌可通过外膜细胞色素蛋白将电子传递至胞外固体或微生物.今后对于古菌介导的DET研究将集中在甲烷代谢电子传递链的各个组成部分及其与细菌之间的相互作用,以便将DET机制用于实际问题的解决.

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)是一种将人工湿地技术(CW)和微生物燃料电池技术(MFC)结合在一起的新型污水处理系统,其产电机理是产电微生物在底层湿地(阳极)的厌氧条件下生成电子,通过外电路传递到表面湿地(阴极)完成氧化还原反应.但是,近几年来,关于CW-MFC研究的文章较少且研究深度较浅.综述了电极材料、水力条件、湿地植物及微生物等条件对CW-MFC污水处理能力和产电能力的影响.在电极材料方面,选用导电性、吸附性及有效面积大的材料作为电极可有效提高CW-MFC产电与去污能力;在水利条件方面,在HRT为2-3 d的条件下,应选用升流式或升流-降流式的入水方式;湿地植物方面,种植湿地植物的CW-MFC在去污和产电能力上都要优于未种植植物的CW-MFC;微生物方面,阴极与阳极的微生物群落结构存在明显的差异,但存在的产电菌的种类却十分相似.CW-MFC中存在的常见产电微生物主要包括地杆菌属(Geobacter)、脱硫叶菌属(Desulfobulbus)、假单胞菌属(Pseudomona)和脱硫弧菌属(Desulfovibrio)等.最后对CW-MFC的研究方向进行了分析,以期为CW-MFC的实际应用提供理论依据.

胞际电子转移是指细胞内电子以间接或直接的方式传递到细胞外,最终到达细胞周围电子受体的过程.胞际电子转移普遍存在于自然界,尤其存在于电子受体相对匮乏的环境中.胞际电子转移可分为间接和直接胞际电子转移.间接胞际电子转移(胞际基质转移)是主要借助氢、甲酸以及其他代谢产物的电子传递;而直接胞际电子转移则由胞内电子转移偶联胞外电子传递实现.胞际电子转移促进了细胞的基质代谢活性,拓展了细胞的作用空间,具有重要的生理意义.胞际电子转移产生了电流,实现了菌间能源共享,驱动了胞外物质(如重金属、腐殖质)转化,具体重大的生态意义.本文总结相关文献,对细菌胞际电子转移的过程、特点、机理及其生态生理学意义作了系统的分析和探讨.

微生物电合成(Microbial electrosynthesis,MES)可直接利用电能驱动微生物还原固定CO2合成多碳化合物,为可再生新能源转化、精细化学品制备和生态环境保护提供新机遇.但是,微生物吸收胞外电极电子速率慢、产物合成效率低和产品品位不高,限制了MES实现工业化应用.在概述阴极电活性微生物吸收胞外电子的分子机制的基础上,重点综述近5年应用生物工程的理论和技术强化MES用于CO2转化的策略与研究进展,包括改造和调控胞外电子传递通路和胞内代谢途径以及定向构建有限微生物混合培养菌群三方面,阐明了生物工程可有效突破MES中电子传递慢和可用代谢途径相对单一等瓶颈.针对目前生物工程在改进MES所面临的主要问题,从胞外电子传递机理研究、基因工具箱开发、组学技术与现代分析技术联用等角度展望了今后的研究方向.

微生物的电子传递过程在生命进化和生物地球化学循环中发挥着关键作用.近年来,随着微生物电子传递研究的深入开展,微生物纳米导线、导电生物被膜及种间电子传递等多种新型的微生物胞外电子传递机制不断被发现,微生物电子传递的距离也从纳米级拓展至厘米级.这些微生物的长距离电子传递过程环环相扣、相互协同,从而构成长距离电子传递网络,并在物质循环和能量转化中共同发挥作用.微生物长距离电子传递网络的结构功能及其调控机制已成为多个学科共同关注的焦点.本文以电子传递的距离为主线,对不同尺度的微生物长距离电子传递过程及网络研究的新进展进行综述,包括纳米尺度的电子传递网络(周质空间和外膜表层)、微米至毫米尺度的电子传递网络(纳米导线、细胞间电子和导电生物被膜)、厘米尺度的电子传递网络(电缆细菌)等,并分析了该研究现存的主要问题和下一步的发展方向,以期为进一步推进微生物长距离电子传递网络理论和应用研究提供科学参考.