Shewanella属细菌中的有氧细胞外电子传递

《Bioresource Technology》：Aerobic extracellular electron transfer in Shewanella spp

微生物在高等溶解氧条件下通过电子传递链（EET）输出电子流，电流密度较厌氧条件提升5倍，其机制涉及Mtr和Dms途径，并证实可通过此途径有氧还原锰矿物，为生物电化学系统应用提供新突破。

　　

陈伟|赵碧仪|戴丽萍|李俊鹏|白瑞|杨帆|周旭东|Jens Ulstrup|赵峰|肖勇

中国科学院城市环境研究所区域与城市生态国家重点实验室，中国厦门361021

摘要

微生物细胞外电子转移（EET）能够将化学能直接转化为电子流，在废水处理、能量生成和生物地球化学循环中起着关键作用。然而，人们普遍认为这一过程只能在厌氧或微好氧条件下发生，这严重限制了微生物EET技术的应用。在这里，我们报告了一种名为Shewanella oneidensis MR-1的EET模型菌株，它能够在高溶解氧条件下激活电子转移过程，即实现好氧EET。值得注意的是，在高溶解氧条件下，该菌株产生的电流密度是已知厌氧条件下的5倍。研究结果表明，尽管高溶解氧（>4.0 mg/L）会降低电子传递的效率，但它能支持更高的生物活性和更快的代谢过程。我们还发现，好氧EET过程可以有效氧化锰矿物birnessite，为锰的生物地球化学循环提供了新的见解。此外，这种好氧EET现象也在其他Shewanella物种中被观察到。

引言

细胞外电子转移（EET）是指微生物在细胞内氧化有机物并通过电子传递链将电子释放到细胞外空间以获取能量的过程（Shi等人，2016；Xiao等人，2021；Xiao等人，2017）。EET的发现不仅拓宽了我们对微生物呼吸途径多样性的理解，还由于其独特的机制大大扩展了呼吸链中电子受体的种类（Lovley，2006；Myers和Nealson，1988）。这一现象在污染物去除、生物能源回收、生物合成以及矿物生物地球化学循环等领域具有重要的应用价值（Aiyer和Doyle，2022；Bretschger等人，2007；Harnisch等人，2024；Lin等人，2021；Logan，2009）。 高效EET过程是实现这些应用的关键，许多研究都集中在探索EET的机制上（Agee等人，2024；Cao等人，2021；Liu等人，2023；Yang等人，2020）。几乎所有研究都表明EET过程发生在厌氧条件下（Cao等人，2021；Light等人，2018；Yang等人，2020）。进行好氧呼吸的微生物通常使用氧气作为电子受体，因为氧气在能量上比其他氧化剂（如Fe和Mn氧化物、SO₄^2?、NO₃^–）更具优势（Imlay，2013；Lu和Imlay，2021）。然而，厌氧EET呼吸是一种能量产出较低的代谢方式，只能产生有限的生物量，这极大地限制了微生物EET技术的实际应用。 先前的研究已经在微好氧条件下（溶解氧<0.4 mg/L）的生物电化学系统（BESs）中实现了电流的产生（Kouzuma等人，2012；Lu等人，2017；Ringeisen等人，2007；TerAvest等人，2014）。然而，微生物对氧气的快速消耗意味着EET实际上主要发生在厌氧条件下。最近的研究表明，某些微生物在使用氧气作为电子受体的同时可以还原可溶性NO₃^–和SO₄^2?，这表明微生物可以同时利用两种电子受体（Canfield和Desmarais，1991；Lloyd，1993）。这种代谢双重性挑战了传统的好氧/厌氧呼吸二分法，并提出了我们的核心假设：某些电活性微生物可能能够在好氧条件下执行EET。这种能力将彻底改变金属元素的循环，并解决阻碍BESs规模化应用的关键氧气敏感性问题。 在这里，我们提供了确凿的证据，证明电活性模型菌株Shewanella oneidensis MR-1和其他Shewanella物种能够在高溶解氧条件下（DO>4.0 mg/L）执行EET，并阐明了定义为好氧EET的电子传递机制。因此，这项工作有望克服氧气限制BESs广泛应用的问题，同时也为高溶解氧条件下好氧EET在生物微量元素锰循环中的作用提供了新的见解。

菌株和培养条件

S. oneidensis MR-1（ATCC-700550）由中国科学技术大学提供。S. lohica（DSMZ-17748）、S. putrefaciens（DSMZ-6067）、S. frigidimarina（DSMZ-12253）、Bacillus subtilis（GIM 1.258）和Escherichia coli K-12（ATCC-23716）购自德国DSMZ。S. oneidensis MR-1、B. subtilis和E. coli K-12在Luria-Bertani培养基（LB，5.0 g/L酵母提取物，10.0 g/L蛋白胨，10.0 g/L NaCl；pH=7.00）中于30℃下进行好氧培养。S. lohica的培养条件略...

好氧BESs的生物发电

我们使用三电极BESs监测了S. oneidensis MR-1的电子电流生成情况，并评估了其微生物EET能力。在工作电极（4 cm²碳毡）上施加+0.2 V的电压（相对于KCl饱和Ag/AgCl），厌氧BESs产生的最大电流为8 μA cm^?2，这与之前的研究结果一致（Xiao等人，2021；Yang等人，2020）。然而，出乎意料的是，某些菌株在较高溶解氧条件下产生的最大电流超过了50 μA cm?2...

结论

我们的研究揭示了一种高效的新型微生物EET过程，该过程以S. oneidensis MR-1菌株为主。好氧EET产生的电流是厌氧EET的5倍。虽然高溶解氧（DO>4.0 mg/L）会降低电子传递的效率，但它能支持更高的生物活性和更快的代谢过程。我们详细探讨了好氧EET的机制，发现Mtr和Dms途径是主要贡献者。

CRediT作者贡献声明

陈伟：撰写初稿、可视化处理、方法学设计、数据分析。赵碧仪：方法学设计、数据分析。戴丽萍：数据验证、数据分析。李俊鹏：实验研究、数据分析。白瑞：实验研究、数据分析。杨帆：资源提供。周旭东：实验研究、数据分析。Jens Ulstrup：撰写、审稿与编辑。赵峰：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法学设计、资金获取、概念构思。肖勇：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢韩庆宇教授和刘东锋博士提供ΔcymA、ΔmtrA和ΔmtrC/omcA突变体。本研究得到了国家自然科学基金（22276183、22025603、42021005）、福建省杰出青年科学基金（2021J06036）、中国科学院城市环境研究所（IUE-JBGS-202212）、中国科学院城市污染物转化联合研究基金（KLUPC-2020-4）以及青年项目的支持。