电活性微生物聚集体中胞外电子传递网络的分子构成与运行机制

Extracellular electron transfer of microorganisms is an important discovery in recent years in the field of environmental microbiology. Its performance is closely related to the geochemical cycles of multiple elements and the development of new bio-energy apparatuses. Parsing the remote electron transfer network on the level of microbial community is currently urgent for in-depth understanding of the principles of microbial electrochemistry. The applicant intends take the extracellular electron transfer network in the electroactive microbial aggregates as the core for study, making full use of advanced technologies in analytical chemistry, (spectro)electrochemistry, and molecular biology. Comprehensive descriptions on the spatial topology, molecular structure, and electrical activity of the electron transport network in the extracellular aggregates will be conducted. The biological function and action mechanism of remote electron transfer will be observed from the perspective of metabolic activity. The applicant will also analyze the essential difference between remote electron transfer and direct discharging on cell surface, and tried to establish remote conduction model for microbial aggregates based on the experimental results.

微生物胞外电子传递是近年来环境微生物学领域的重要发现，它的作用机制关系到多种元素的地球化学循环和新型生物能源技术的开发。在群落水平上对微生物远程电子传递网络进行解析是当前深入理解微生物电化学活动基本原理的迫切任务。申请人拟以电活性微生物聚集体中胞外电子传递网络为核心，充分借助分析化学、（光谱）电化学和分子生物学的先进技术手段，综合描述聚集体胞外电子传递网络的空间结构、分子组成和电活性，并且从聚集体内生物代谢活性的角度观测远程电子传递的实际功能和作用机制，解析远程电子传递区别于细胞表面直接放电的本质机理，并力图建立基于实验观测结果的微生物远程电荷传导模型。

本项目从电极电势对G. sulfurreducens生物膜产电能力的重要影响出发，利用电势调控生物膜电化学活性的规律，解析了生物膜内细胞代谢和电子传递过程，分离、鉴定了关键的电子传递蛋白和其他蛋白的角色。获得的重要发现包括：1，细菌产电能力在在电势升高至+0.2 V处达到极值，继续升高电势后产电能力下降；2，电极电势调控细菌胞内代谢和生物膜电子传递，高产电能力的生物膜具有更高的异化代谢水平、更低的同化代谢水平和电子传递阻抗；3，OmcS而不是pili作为主要的胞外传导蛋白起作用，OmcS缺失时其他细胞色素c也可以部分承担电子传递；4，生物膜内存在高电势的细胞色素c，只储存电子、不参与电荷传导。这些结果对微生物电化学理论模型的建立和完善有重要帮助，并可能用于指导设计高效的产电系统、微生物传感器和生物电子学器件。

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