利用微納電極對奧奈達希瓦氏菌胞外電子傳遞的研究

《利用微納電極對奧奈達希瓦氏菌胞外電子傳遞的研究》是依託西南大學，由彭羅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：利用微納電極對奧奈達希瓦氏菌胞外電子傳遞的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：彭羅
• 依託單位：西南大學

項目摘要

微生物胞外電子傳遞是眾多生物地球化學過程的核心，也是多種新興能源環境技術的基礎。胞外電子傳遞中一些具體問題尚待研究。本項目將模式產電細菌奧奈達希瓦氏菌作為研究對象，探討其間接電子傳遞中的介體擴散層厚度與分子擴散係數問題；以及胞外基質在直接電子傳遞中的作用。試驗引入微納電極作為研究手段。試驗涉及兩種形式的微納電極：微柱電極與納米級刻蝕電極。微柱電極表面的擴散特性為實測電子介體的擴散層厚度與擴散係數提供了可能。而刻蝕電極便於單獨研究胞外基質的電化學過程：包括胞外細胞色素的電化學行為（熱力學，動力學），胞外細胞色素間的電子擴散，細菌能否通過胞外基質還原電極，特定細胞色素在上述過程中的作用。

結題摘要

胞外電子傳遞指微生物向外部不溶性物質傳遞電子的行為。這一現象在金屬元素的生物地球化學循環，種間電子傳遞等環境過程中起了重要作用。同時，細菌向電極的電子傳遞也催生了一系列新興能源與環境技術。在胞外電子傳遞研究中，奧奈達希瓦氏菌是廣受關注的模式菌種。它能分泌出擴散性的黃素類物質充當電子介體；也能在細胞外膜或胞外基質中分布電子傳遞蛋白；同時其外膜可以發展出被稱為“納米導線”線狀結構。然而，這些物質與結構在產電過程中的實際作用並未被充分理解。例如，黃素類物質的實際作用方式如何？希瓦氏菌具有“納米導線”，卻不能形成多層產電生物膜；細菌究竟是否可以依賴這些“導線”進行遠距電子傳輸？本項目通過微電極與納米電極研究了這些問題。在導電基底的表面覆蓋200 nm厚的絕緣層，通過微納加工技術在絕緣層上描繪線寬為微米級或納米級的圖案，從而形成微/納電極。擴散性物質在微電極表面會產生特殊的微電極效應，從而幫助研究黃素類電子介體的作用過程。納米電極可以阻止細胞外表面與電極的直接接觸，從而為研究遠距電子傳遞提供了平台。微米電極的結果表明，細菌產電水平與普通電極的結果相仿，說明擴散性的電子介體不是產電的重要途徑。電化學伏安分析的結果也表明，與產電相關的主要物質可能是與細胞色素結合從而固定在電極附近的黃素類物質。納米電極的結果表明，細胞能夠在不與電極直接接觸的情況下進行產電。並且，這種產電過程不依賴於擴散性電子介體。電化學分析顯示，界面上的電子傳遞過程仍然是由固定的，自由基狀態的黃素類物質完成的。而研究通過基因敲除菌株表明，從細胞表面到電極的電子傳遞更可能是由“納米導線”，而非胞外聚合物中的細胞色素實現的。研究也分析了一些重要細胞色素c在遠距電子傳輸中的作用。本研究得到了關於黃素類電子介體，“納米導線”，胞外細胞色素c等物質或結構在胞外呼吸中作用的信息。對生物地球化學，環境技術等領域可能產生一定影響。