圖3、微生態(tài)位中H2產(chǎn)生的增強(qiáng)。(a)H2濃度隨深度的變化，游離奧奈達(dá)湖桿菌作為對(duì)照。通過(guò)可調(diào)節(jié)溶液深度的氫微電極檢測(cè)H 2濃度。(b)游離SW細(xì)胞（黑色圓圈）中H2量的時(shí)間依賴性測(cè)量，微生態(tài)位凝結(jié)有不同濃度的Ca2+（5 mM（綠色方塊），10 mM（藍(lán)色三角形）和20 mM（紫色倒三角形）。選擇1 mL 1%海藻酸鈉和1 mL S.oneidensis懸浮液（OD 600=4.0，109細(xì)胞/mL）為所有測(cè)試準(zhǔn)備微生態(tài)位。數(shù)據(jù)以平均值±SD表示，誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=3，生物學(xué)獨(dú)立樣本）。(c)使用OD 600為3.0（綠色）、4.0（藍(lán)色）和5.0（紫色）的細(xì)菌懸浮液制備的微生態(tài)位，H 2的時(shí)間依賴性生產(chǎn)。(d)S.oneidensis MR-1(MR-1)/G微生態(tài)位的薄切片冷凍SEM圖像，顯示海藻酸鹽基質(zhì)內(nèi)的S.oneidensis細(xì)胞（綠色）。比例尺，15μm。(e)MR-1/G微生態(tài)位內(nèi)部結(jié)構(gòu)的放大冷凍掃描電鏡圖像，顯示微生態(tài)位中奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞和石墨烯之間的相互作用。比例尺2μm。(f,g)天然奧奈達(dá)湖桿菌(f)以及奧奈達(dá)湖桿菌和石墨烯混合物(g)的TUNA當(dāng)前圖像以及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)直方圖（插圖）。通過(guò)統(tǒng)計(jì)直方圖中的高斯曲線得到單峰擬合。(h)分別由奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞（綠色）、MR-1 PDA（藍(lán)色）、MR-1/G（紫色）和MR-1/海藻酸鈉（紅色）制備的微生態(tài)位的EIS奈奎斯特圖。實(shí)線表示擬合結(jié)果，擬合電路如圖所示。(i)H 2產(chǎn)生游離的奧奈達(dá)湖桿菌與細(xì)胞色素c、核黃素和中性紅，持續(xù)7天。

圖4、微生態(tài)位內(nèi)的細(xì)菌間電子傳遞路徑。(a)由六個(gè)突變體制備的微生態(tài)位7天產(chǎn)生H2。選擇1 mL 1%海藻酸鈉和1 mL奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞懸液（OD 600=4.0，109細(xì)胞/mL）為所有測(cè)試準(zhǔn)備微生態(tài)位。(b)石墨烯（黑網(wǎng)）和PDA、膜蛋白（包括CymA、MtrA、MtrB、MtrC、OmcA）和未知血紅素蛋白（未知路徑）在微生態(tài)位內(nèi)奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞之間的電子傳遞中的作用。所有電位均針對(duì)SHE（E 0′，pH=7，T=298.15 k）、小周質(zhì)細(xì)胞色素（即StcA）、小四血紅素細(xì)胞色素（STC）。(c)天然奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞（上）和MR-1 PDA細(xì)胞（下）的表面粗糙度測(cè)量。（d）本地奧奈達(dá)湖桿菌（上）和MR-1 PDA（下）的楊氏模量統(tǒng)計(jì)直方圖，并通過(guò)高斯曲線進(jìn)行單峰擬合。與原生奧奈達(dá)湖桿菌（16.2 nm，110 MPa）相比，MR-1 PDA的粗糙度和楊氏模量有所增加（22.9 nm，162 MPa），這與SEM一致。(e)奧奈達(dá)湖桿菌MR-1、MR-1 PDA和MR-1/G的CV曲線。(f)TUNA MR-1 PDA的當(dāng)前圖像以及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)直方圖(插圖)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)直方圖中的高斯曲線得到單峰擬合。(g)MR-1 PDA微生態(tài)位、MR-1/G微生態(tài)位、MR-1 PDA/G微生態(tài)位和微生態(tài)位的H2的時(shí)間依賴性產(chǎn)生LB中含有20 mM乳酸鈉。

圖5、微生態(tài)位的長(zhǎng)期H2生產(chǎn)。(a)奧奈達(dá)湖桿菌在微生態(tài)位中的時(shí)間依賴性存活。(b)H2生產(chǎn)過(guò)程中微生態(tài)位尺寸的變化。(c)產(chǎn)生H2 12天后微生態(tài)位中奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)NADH/NAD+比率，以及(d)奧奈達(dá)湖桿菌的細(xì)胞干重(DCW)生產(chǎn)H 2 12天后的微生態(tài)位中的奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞，其是通過(guò)在40℃真空干燥后稱重干奧奈達(dá)湖桿菌細(xì)胞沉淀而獲得的。(e)H2生產(chǎn)過(guò)程中微生態(tài)位的pH值隨時(shí)間的變化。(f)MR-1 PDA微生態(tài)位、MR-1/G微生態(tài)位、MR-1 PDA/G微生態(tài)位和中的微生態(tài)位隨時(shí)間的累積H 2產(chǎn)量用20 mM乳酸鈉進(jìn)行LB。培養(yǎng)基隨著Ca2+的重新交聯(lián)而更新，以重新開(kāi)始H2的產(chǎn)生，直到30天。

結(jié)論與展望

本研究將活微生物和非生命基質(zhì)協(xié)同整合到新的人工微生態(tài)系統(tǒng)中是生物制造尤其是可持續(xù)能源技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。研究人員開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)建基于奧奈達(dá)湖桿菌的導(dǎo)電微利基的方法，通過(guò)整合石墨烯、聚多巴胺和藻酸鹽來(lái)提高氫氣產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)呼吸代謝會(huì)誘導(dǎo)微生態(tài)位內(nèi)的局部缺氧條件，并且有線的細(xì)胞外電子逆轉(zhuǎn)從外部環(huán)境到周質(zhì)氫化酶的轉(zhuǎn)移途徑，從而有助于提高產(chǎn)氫率，與傳統(tǒng)方法相比，提高了約12.7倍。溶液中游離的希瓦氏菌。值得注意的是整個(gè)組裝過(guò)程表現(xiàn)出良好的生物相容性，確保微生態(tài)位內(nèi)的希瓦氏菌能夠維持30天的產(chǎn)氫能力。本研究的系統(tǒng)可以為促進(jìn)H2生產(chǎn)提供一個(gè)創(chuàng)新平臺(tái)。該領(lǐng)域的發(fā)展。預(yù)計(jì)這種通過(guò)創(chuàng)建活體/非活體混合微聯(lián)合體來(lái)促進(jìn)微生物功能的開(kāi)發(fā)策略，可以為各種組裝活細(xì)胞材料的向前發(fā)展貢獻(xiàn)一個(gè)新的范例，并在各種綠色生物制造中具有潛在的應(yīng)用。