铁氧化菌细胞色素c蛋白与含铁矿物的电子传递机理研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    41472306
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    106.0万
  • 负责人：
    刘娟
  • 依托单位：
    北京大学
  • 学科分类：
    D0217.生物地质学
  • 结题年份：
    2018
  • 批准年份：
    2014
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Microbial oxidation of Fe(II)-bearing minerals plays a key role in Fe cycle,cell metabolism,as well as the transformation and transport of contaminants in natural environment. In this project, the mechanisms of electron transfer on microbe-mineral interface will be studied through the oxidation kinetics of Fe(II)-bearing minerals by MtoA, a c-type cytochrome of natural iron-oxidizing bacterium, Sideroxydans lithotrophicus ES-1.Advanced nanotechniques,molecular biological techniques, and mineral characterization methods will also be applied to investigate the changes of minerals and proteins in the microbial redox reactions. The oxidation rates of dissolved Fe(II), absorbed Fe(II), and structural Fe(II) by MtoA will be compared. The influence of chemical properties of solution, such as pH values, ionic strength, natural organic matter (NOM), on the reactivity of MtoA will be investigated. The relationship between mineralogical properties of Fe(II)-bearing minerals, including crystal phase, size, aggregation,etc., and the oxidation rates with MtoA will be studied. This study aims to provide molecular insights to the mechanisms of the microbial oxidation of Fe(II)-bearing minerals with iron-oxidizing bacteria. It will be helpful for understanding the influence of microbe-mineral interactions on biogeochemical processes,and also important for utilizing iron-oxidizing bacteria in environmental purification.
含铁矿物的微生物氧化在铁的地质循环，生物体新陈代谢以及污染物的转化与迁移中都起着重要的作用。本项目拟通过天然铁氧化菌Sideroxydans lithotrophicus ES-1中驱动电子转移的关键细胞色素c蛋白MtoA和不同含铁矿物纳米颗粒之间的反应动力学研究，结合先进的纳米技术、分子生物学技术以及现代矿物学表征方法，揭示细胞色素c 蛋白在铁细菌-矿物界面电子转移中的作用。比较在溶解态、吸附态和结构态三种赋存状态下，Fe(II)和MtoA之间氧化还原速度的差异；系统分析水体的pH值、离子强度、有机质浓度等化学性质对离子的表面吸附以及电子转移效率的影响；阐述含铁矿物的晶相、粒径、形态、聚集状态等矿物学特征与其微生物氧化速度之间的关系。从分子水平上探讨铁细菌氧化含铁矿物的反应机理，为揭示铁细菌在生物地球化学过程中的作用和开发铁细菌在水环境修复中的应用提供科学依据。

结项摘要

铁元素作为地表环境中重要的变价金属元素，不仅是微生物必需的营养元素，也是微生物胞外呼吸作用中常见的终端电子受体/供体。铁氧化物以不同的矿物相广泛存在于土壤、水体、沉积物和大气中。含铁矿物与微生物界面的电子传递过程对于碳和铁元素的生物地球化学循环，微生物群落结构变化、以及污染物的转化与迁移都起着重要的作用。本项目利用希瓦氏菌中跨膜电子传递链的关键细胞色素c蛋白OmcA，从分子水平研究铁还原菌和具有不同矿物学性质的铁氧化物矿物颗粒之间的电子传递机制和控制因素。研究结合了纳米合成技术、分子生物学技术、合成生物学技术、以及先进的光谱学和显微学技术，对微生物-矿物界面直接电子传递模式进行了细致地刻画。建立了铁氧化物矿物颗粒粒径、颗粒表面性质、氧化-还原电位、光照、以及水环境的pH 值、离子强度、有机质浓度等性质与细胞色素c 蛋白/微生物-铁氧化物矿物界面电子传递速率之间的定量关系。揭示了胞外分泌的OmcA能够显著影响铁氧化物颗粒的团聚状态，从而改变矿物颗粒在地表水环境中的分散状态、表面活性位点浓度、以及和蛋白质分子或微生物之间电子传递效率的机制。阐明了天然地表环境中，光照激发半导体铁氧化物矿物-微生物的协同作用，促进元素循环和物质转化的新机制。在微生物共生体系中，磁铁矿表面附着的天然有机物或含硅矿物能够显著地影响磁铁矿介导两种不同种微生物之间的电子传递的能力，介导电子传递的效率主要受控于矿物表面性质的差异。研究结果为系统认识地表环境中微生物-矿物界面电子传递的分子机制以及相关的元素地球化学循环过程提供了理论依据，也为揭示铁细菌在生物地球化学过程中的作用和开发铁细菌在水环境修复中的应用提供了科学依据。

项目成果

期刊论文数量（9）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（0）
Impact of Proteins on Aggregation Kinetics and Adsorption Ability of Hematite Nanoparticles in Aqueous Dispersions
蛋白质对水分散体中赤铁矿纳米粒子聚集动力学和吸附能力的影响
  • DOI：
    10.1021/acs.est.5b05298
  • 发表时间：
    2016
  • 期刊：
    Environmental Science & Technology
  • 影响因子：
    11.4
  • 作者：
    Anxu Sheng;Feng Liu;Nan Xie;Juan Liu
  • 通讯作者：
    Juan Liu
Structural effects on the catalytic activity of carbon-supported magnetite nanocomposites in heterogeneous Fenton-like reactions.
碳负载磁铁矿纳米复合材料在非均相类芬顿反应中的结构对催化活性的影响
  • DOI：
    10.1039/c8ra02286k
  • 发表时间：
    2018-04-27
  • 期刊：
    RSC ADVANCES
  • 影响因子：
    3.9
  • 作者：
    Zang, Hongmei;Miao, Chunyan;Shang, Jianying;Liu, Yingxin;Liu, Juan
  • 通讯作者：
    Liu, Juan
纳米矿物及其环境效应
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    地球科学
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    刘娟;盛安旭;刘枫;李晓旭;琚宜文;刘国恒
  • 通讯作者：
    刘国恒
Reversible Fe(II) uptake/release by magnetite nanoparticles
磁铁矿纳米颗粒可逆地吸收/释放 Fe(II)
  • DOI：
    10.1039/c8en00328a
  • 发表时间：
    2018-07
  • 期刊：
    Environmental Science-Nano
  • 影响因子：
    7.3
  • 作者：
    Peng Huan;Pearce Carolyn I.;Huang Weifeng;Zhu Zhenli;N'Diaye Alpha T.;Rosso Kevin M.;Liu Juan
  • 通讯作者：
    Liu Juan
Enhanced photocurrent production by the synergy of hematite nanowire-arrayed photoanode and bioengineered Shewanella oneidensis MR-1
通过赤铁矿纳米线阵列光阳极和生物工程希瓦氏菌 MR-1 的协同作用增强光电流产生
  • DOI：
    10.1016/j.bios.2017.03.006
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    BIOSENSORS & BIOELECTRONICS
  • 影响因子：
    12.6
  • 作者：
    Zhu Gaolong;Yang Yun;Liu Juan;Liu Feng;Lu Anhuai;He Weidong
  • 通讯作者：
    He Weidong

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其他文献

油茶耐低磷指标鉴定及芽苗砧筛选
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  • 作者：
    刘娟
  • 通讯作者：
    刘娟
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    2019
  • 期刊：
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    --
  • 作者：
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  • 作者：
    刘娟;郑君文;王大斌;赵东赤
  • 通讯作者：
    赵东赤

其他文献

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刘娟的其他基金

铁细菌与铁氧化物半导体矿物在日光下协同作用机制及其环境意义
  • 批准号：
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  • 批准年份：
    2017
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    80.0 万元
  • 项目类别：
    重大研究计划

相似国自然基金

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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