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.

为了揭示盐胁迫下AM真菌对苗木光合生理特性的影响,试验采用盆栽法,对接种AM真菌根内球囊霉(Glomus intraradices,GI)与未接种AM真菌(CK)的沙枣幼苗进行浓度为0、100、200、300mmol/L NaCl处理,测定不同处理沙枣苗木叶片的净光合速率Pn、气体交换参数(蒸腾速率Tr,气孔导度Gs,胞间二氧化碳Ci)、色素含量(叶绿素a、b,叶绿素,类胡萝卜素)、叶绿素荧光参数(最大荧光效率Fv/Fm,光系统Ⅱ效率ΦPS Ⅱ,光化学淬灭系数qP,非光化学淬灭系数NPQ,表观电子传递速率ETR,光反应中心PSⅡ潜在活性Fv/Fo,热耗散速率HDR)等指标.结果表明:(1)随着盐浓度的增加,GI和CK处理对沙枣幼苗叶片Pn、Tr、Gs及Ci影响的变化趋势基本一致,均显著下降,但是在同一个盐浓度下,接种GI沙枣叶片的这些指标显著高于CK处理组(P＜0.05),并且与不加盐处理为对照,其各参数的变化幅度显著低于CK组.(2)接种GI组和CK组的沙枣幼苗叶片随着盐浓度的增加色素含量各参数变化趋势基本一致,均降低或升高,但是与不加盐处理相比,CK处理组的变化幅度显著高于GI处理.(3)随着各处理盐浓度增加,接种GI处理的Fv/Fm、ΦPS Ⅱ、qP、ETR、Fv/Fo呈先升高后下降的趋势,NPQ、HDR呈先降低后升高的趋势,相对应的CK处理组各值呈显著下降的趋势,而NPQ和HDR则呈先降低后升高以及逐渐升高的趋势,与不加盐处理为对照,GI处理组的变化幅度显著低于CK组.研究结果进一步揭示了AM真菌在盐生境中通过提高植物的光合和叶绿素荧光特性发挥重要的作用,而盐胁迫强度也是AM真菌发挥这一作用的影响因素.盐生植物与AM真菌共生用于盐碱地的改良具有一定的应用前景.

以甜瓜(Cucumis melo L.)品种“中蜜3号”为试材,摩西球囊霉菌(Glmous mosseae,GM)为供试菌种,采用温室盆栽试验研究了丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi,AMF)对弱光及盐胁迫下甜瓜幼苗叶绿素含量、光合气体交换参数、叶绿素荧光参数和光响应曲线的影响.结果表明:弱光及盐胁迫下接种AMF可显著增强甜瓜幼苗叶绿素含量、净光合速率(Pn)、光合电子传递速率(ETR)、水分利用率(WUE)和气孔限制因子(Ls);气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)则随胁迫时间延长不断增强;光化学猝灭系数(qP)与实际光化学效率(φPsⅡ)变化趋势基本一致且均显著高于未接菌处理;接种AMF显著增强了最大光化学效率(Fv/Fm),但处理之间差异不显著;并进一步提高了宿主的最大羧化速率(Amax)、光饱和点(LSP)和表观量子效率(AQE),降低了光补偿点(LCP)和暗呼吸速率(Rd).研究发现,AMF可通过改善叶绿素荧光、气体交换参数和光响应参数来减轻弱光及盐胁迫对植株造成的伤害,从而提高甜瓜对弱光及盐胁迫的耐性.

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.

电活性生物膜(EAB)是微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的重要组成部分.为揭示群体感应(quorum sensing,QS)信号分子在MFC中对EAB的响应机制,在MFC阳极室接种铜绿假单胞菌,添加两种QS信号分子(N-丁酰基高丝氨酸内酯C4-HSL和喹诺酮PQS),观察其对阳极生物膜形态、结构及MFC产电性能的影响.结果显示:添加终浓度为10 μmol/L N-丁酰基高丝氨酸内酯、喹诺酮的MFC的驯化启动期分别比对照组缩短了290.33 h、169.9 h,最高输出电压分别提高了18.18％、22.73％,MFC运行后期传质电阻分别减小了9.77 Q、15.15 Ω,绿脓素含量分别提高了20.27％、24.32％;扫描电子显微镜(SEM)照片显示添加两种信号分子生物膜的生物量均多于对照组;激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)照片显示添加QS信号分子可以明显增大阳极生物膜的厚度并改善活死细胞比例.本研究表明添加QS信号分子显著促进了产电菌Pseudomonas aeruginosa PAO1在MFC阳极表面的成膜速率,强化了其生物活性,提高了EAB与电极间的电子传递效率及MFC的产电性能.

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.