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电化学活性菌胞外呼吸的定量利器

2022/08/21点击次数:

近日,厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室、环境与生态学院郑越副教授与中科院城市环境研究所赵峰研究员等合作者在国际期刊Biosensors & Bioelectronics上发表了题为“An electrochemical system for the rapid and accurate quantitation of microbial exoelectrogenic ability”的研究论文。该研究将“过滤”理念引入传统微生物活性测定方法,实现了细胞电化学活性的快速精确测定,为建立电化学活性菌数据库和资源库提供了技术支撑。


生命代谢的本质是基于电子转移的生化反应过程。1911年微生物Saccharomyces和Bacillus被发现能够产生电流。在随后的一百多年中,研究人员在跨越古菌、细菌、真菌的9个门类微生物中均证实了微生物产电现象,并将这类通过胞外电子传递实现能量代谢的微生物统称为“电化学活性菌”(Electrochemically Active Microbes)。电化学活性菌是生物地球化学循环(包含碳循环、氮循环、硫循环、铁循环等)中的关键驱动者,也在环境修复、污水处理、资源回收、合成生物学等领域表现出重要的应用前景(图1)。

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图1. 电化学活性菌及其科学价值


不论是微生物电化学的基础研究还是工程应用,准确量化微生物的电化学活性是解析微生物胞外电子传递过程的关键 。目前,微生物电化学活性的测定方法可归为两大类:直接电化学法和间接显色法。直接电化学法是在电极上形成稳定的生物膜后,直接测定其产电能力。该方法技术相对成熟,但生物膜形成过程耗时长,且参与细菌的数量和状态难以控制,不利于表型对比。间接显色法依赖于胞外氧化还原显色材料,快速简便,可实现细胞的高通量测定,但测量结果仅反映某个特定电势下微生物电化学活性,且显色材料的毒性和细胞自身颜色可能会影响测定的准确性。

针对电化学活性“快速-准确-容易”定量的要求,本研究将“过滤”的理念引入到微生物活性测定中(图2),以负载金纳米颗粒的滤膜作为工作电极,通过真空抽滤实现细胞快速(≤3分钟)定植于工作电极表面。

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图2.微生物电化学活性测定装置示意图

该方法具有以下特点:1)可实现生物膜的快速定植,从而极大缩短测定时间;2)可控制待测细胞的生长状态和数量,从而确保电化学活性测定的准确性和重现性;3)可区分直接胞外电子传递和间接胞外电子传递的表型差异;4)适用于不同类型的电化学活性菌,如革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、真菌;5)可结合生物技术实现电化学表型和生物学机制的同步研究(图3)。

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图3. 不同生长阶段Shewanella onedensis MR-1电化学活性的测定


本论文的第一作者为厦门大学博士生汪欢,通讯作者为厦门大学郑越副教授和中科院城市环境研究所赵峰研究员。作者特别感谢中国科学院亚热带研究所朱宝利研究员、中国科学院地球地质研究所刘嘉玮副研究员以及美国俄克拉荷马大学秦玮教授的支持和帮助。该项研究获得国家自然科学基金、福建省自然科学基金和厦门大学南强青年拔尖人才支持计划(B类)的资助。


论文来源

Huan Wang, Yue Zheng*, Jiawei Liu, Baoli Zhu, Wei Qin, Feng Zhao*, An electrochemical system for the rapid and accurate quantitation of microbial exoelectrogenic ability. Biosensors & Bioelectronics, 2022: 114584.

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.114584