研究簡(jiǎn)介:為了應(yīng)對(duì)全球能源挑戰(zhàn)和環(huán)境問(wèn)題，迫切需要可持續(xù)和生態(tài)友好的能源供應(yīng)，這推動(dòng)了眾多新技術(shù)的發(fā)展。多種細(xì)菌物種已被用于氫氣(H2)生產(chǎn)或通過(guò)生物質(zhì)和廢水處理進(jìn)行可再生生物發(fā)電。在為這些系統(tǒng)提供動(dòng)力的細(xì)菌中，希瓦氏菌于20世紀(jì)80年代末被發(fā)現(xiàn)，是一種異化金屬還原微生物，因其將電子從細(xì)胞質(zhì)呼吸氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)移到外部含金屬礦物質(zhì)的能力而受到廣泛研究。鑒于H2燃料是最有前途的化石燃料替代品之一，將化學(xué)能創(chuàng)新為H 2能源的發(fā)達(dá)生物制造應(yīng)該代表一種有前景的方法。大規(guī)模H2生產(chǎn)對(duì)環(huán)境影響較小。由于氫化酶的不耐氧性或半導(dǎo)體的生物相容性較低，微生物生物制氫在產(chǎn)氫速率和持續(xù)時(shí)間上的進(jìn)一步提高仍然需要研究人員付出很大的努力。構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定有效的厭氧環(huán)境來(lái)激活氫化酶對(duì)于可持續(xù)的H2生成至關(guān)重要，盡管它在整個(gè)細(xì)胞中仍然很大程度上未被探索。研究人員提出了一種通過(guò)將奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞摻入海藻酸鈣/石墨烯基質(zhì)中來(lái)產(chǎn)生人工微生態(tài)位的方法。形成的微生態(tài)位呈微粒形式，每個(gè)微生態(tài)位（41μm）平均有847個(gè)奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞。本論文研究了奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞的呼吸代謝和空間協(xié)同作用，以促進(jìn)微生態(tài)位內(nèi)厭氧微環(huán)境的形成，從而有效地提高H2的產(chǎn)生。揭示了由于加入了包括石墨烯和聚多巴胺（PDA）在內(nèi)的電活性物質(zhì)而形成的導(dǎo)電微利基結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移。本研究開發(fā)的微利基增強(qiáng)H 2生產(chǎn)系統(tǒng)將擴(kuò)展提高H 2生產(chǎn)的方法。

Unisense超微呼吸系統(tǒng)的應(yīng)用

unisense O2微電極傳感器是尖端直徑為10μm的OX-10微傳感器。測(cè)試單個(gè)微缺口內(nèi)的O2濃度、H2濃度和氧化還原電位，單個(gè)微缺口直徑為1.2mm，密度相同準(zhǔn)備了(2.35×10 10 cells/cm3)作為用于定量等主要數(shù)據(jù)中的析氫的微生態(tài)位。顯微操作器的步長(zhǎng)為5μm，用于O 2、H 2和氧化還原電位測(cè)量。新制備的微生態(tài)位用于測(cè)量H 2產(chǎn)量至少6小時(shí)。從反應(yīng)系統(tǒng)中收獲聚集體。將一層微生態(tài)位固定在瓊脂基質(zhì)（1.5 wt%瓊脂）上。微電極的直徑只有10μm，為了保護(hù)微電極在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不被損壞，樣品必須放置在瓊脂基底上。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)優(yōu)化的兩步Pickering乳液技術(shù)創(chuàng)建基于奧奈達(dá)湖桿菌的混合微生態(tài)位，開發(fā)了一種人工微生態(tài)H2生產(chǎn)模型。研究揭示了厭氧微環(huán)境和細(xì)胞外電子的再利用是奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞實(shí)現(xiàn)H2產(chǎn)生的兩個(gè)關(guān)鍵因素。作為一種新型的H2生產(chǎn)模型，在奧奈達(dá)湖桿菌周圍集成石墨烯和基于PDA的涂層應(yīng)該是一種有效的方法，可以創(chuàng)建導(dǎo)電微利基，連接細(xì)胞外電子反向轉(zhuǎn)移路徑。與游離的奧奈達(dá)湖桿菌相比，MR-1 PDA/G微生態(tài)位的H 2產(chǎn)生率提高了12.7倍。值得注意的是，整個(gè)過(guò)程顯示出良好的生物相容性，這使得構(gòu)建的微生態(tài)位系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期產(chǎn)氫30天。

圖1、示意圖顯示了基于奧奈達(dá)湖桿菌的人工雜交微生態(tài)位內(nèi)奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞的組裝、空間分布和功能調(diào)節(jié)。(a)通過(guò)兩步乳化方法，大量奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞（綠色棒）被緊密封裝在海藻酸鈣水凝膠基質(zhì)中。形成的微生態(tài)位為奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞提供了有限的空間，促進(jìn)了由于呼吸而形成的厭氧環(huán)境。因此，與游離細(xì)菌相比，微生態(tài)位內(nèi)的奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞彼此更加接近，這有利于細(xì)菌間的電子轉(zhuǎn)移。(b)細(xì)菌間電子傳遞增強(qiáng)：無(wú)氧代謝產(chǎn)生的電子（紫色圓圈）通過(guò)電子從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到位于周質(zhì)（內(nèi)外膜之間的區(qū)域）和細(xì)胞外環(huán)境的氫化酶（藍(lán)色柱）運(yùn)輸鏈（深紅色球體），同時(shí)細(xì)胞外電子可以很容易地通過(guò)石墨烯被相鄰的奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞接收，然后轉(zhuǎn)移到氫化酶。

圖2、基于奧奈達(dá)湖桿菌的球形微生態(tài)位的形成。(a)使用1 mL 1%海藻酸鈉和1 mL奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞懸液形成的微生態(tài)位的光學(xué)顯微鏡圖像(OD 600=4.0,109細(xì)胞/mL)，比例尺，50μm。(b)單個(gè)球形微生態(tài)位的SEM圖像，顯示奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞封裝在基于藻酸鹽的基質(zhì)中，比例尺，10μm。(c,d)微生態(tài)位的2D(c)和3D(d)共焦掃描圖像，顯示整個(gè)微生態(tài)位中存在DAPI標(biāo)記的奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞；激發(fā)波長(zhǎng)為405 nm，比例尺分別為50μm和10μm。(e)單個(gè)微生態(tài)位上的藍(lán)色熒光強(qiáng)度圖。插圖顯示相應(yīng)的共焦掃描圖像，染色如(d)所示，比例尺，10μm。(f)含有[Ru(dpp)3]Cl2氧指示劑的微生態(tài)位的熒光圖像；激發(fā)波長(zhǎng)為488 nm，比例尺為40μm。(g)在單個(gè)微利基中基于氧微電極傳感器的測(cè)量的示意圖。使用瓊脂作為基底來(lái)保護(hù)電極。(h)微生態(tài)位內(nèi)不同深度的O2濃度。(i)微生態(tài)位和游離奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞的氧化還原電位曲線。