微生物直接种间电子传递:机制及应用
厌氧甲烷化中互养微生物种间直接电子传递的构建与强化
厌氧甲烷化中互养微生物种间直接电子传递的构建与强化厌氧甲烷化是实现污染物能源化最现实、最有效的方法之一。
氢气作为有机物厌氧氧化的产物,必须依靠耗氢微生物的持续消耗,才能维持厌氧氧化的顺利进行。
因此,在过去的半个世纪,氢气作为厌氧呼吸的电子载体,即种间氢气传递(IHT),被认为是厌氧消化的内在机理。
然而,基于IHT的生物电子链接脆弱,相关微生物极易受环境条件(如pH、有机负荷、毒性抑制剂等)的影响,造成厌氧体系内氢气分压升高,破坏产甲烷代谢的平衡,最终导致厌氧甲烷化的停滞。
近年来,由电活性微生物(如Geobacter等)驱动的产甲烷微生物电解池(MEC)作为一种新型能源策略受到广泛关注。
这种在厌氧消化器中直接置入电极的单室产甲烷MEC拓宽了厌氧甲烷化的途径。
更重要的是,基于Geobacter和产甲烷菌构建的MEC有望形成另一种全新的厌氧甲烷化模式——直接种间电子传递(DIET)。
然而,DIET在常规厌氧体系内还存在诸多未知的问题,如DIET在厌氧系统的构建与强化、运行特性以及底物可利用性等。
基于上述考虑,本研究在常规厌氧消化器内,通过引入外加电场、填充导体材料以及投加乙醇等方式,构建并强化产甲烷DIET,维持厌氧体系内酸性平衡和产甲烷代谢的稳定。
主要研究结果如下:(1)将一对石墨电极内置于上流式厌氧污泥床(UASB)反应器,构成单室产甲烷的MEC反应器。
在启动阶段,这种MEC反应器能够大幅度缩短厌氧启动时间。
在酸性抑制阶段,对照反应器(无内置电极)的产甲烷代谢几乎停滞,而MEC反应器的产甲烷代谢仍可以稳定运行。
荧光原位杂交(FISH)结果表明,MEC的阴极周围富集了大量耗氢产甲烷菌,其丰度高于悬浮污泥和对照反应器20-30个百分点,这说明外加电场能够在阴极富集耗氢产甲烷菌,形成生物电化学阴极产甲烷,提高甲烷产量。
采用这种单室产甲烷的MEC处理剩余污泥,能够大幅度地提高剩余污泥中有机物(如糖类物质、蛋白质和有机酸等)的分解速率。
细菌电子传递链的分子机制及其应用
细菌电子传递链的分子机制及其应用细菌电子传递链（electron transfer chain）是维持各种细菌的正常生命活动所必需的一种机制。
它是细胞内氧化还原反应的重要组成部分，通过输运电子来驱动细菌细胞的各种代谢过程。
本文将介绍细菌电子传递链的分子机制及其应用。
细菌电子传递链的分子机制细菌电子传递链一般由两个部分组成：呼吸链和光合链。
呼吸链是细菌在无需光能的情况下通过细胞膜来产生能量的主要机制，光合链是细菌通过利用光能来合成有机物的主要机制。
这两种机制都涉及细菌膜上的一系列蛋白质复合体和多种氧化还原酶。
呼吸链中存在多个氧化还原酶，包括一、二、三号复合体，其作用是将电子从内质网膜（或是细胞膜）的NADH和FADH2这种还原较强的物质输运到呼吸链的末端。
这个末端包括一个细胞膜上的氧化酶和水。
一号复合体是NADH泵和氧化酶的混合体，其功能是将货车NADH中的电子输运到不存在氧气的能力不强的细菌中；二号复合体的作用是接收电子并将其传递给呼吸链的第三个复合体；第三号复合体将电子传递到氧化酶，完成细胞的呼吸，产生水和ATP。
光合链的基本过程是通过呼吸链反向传输，能量从电子传输位置回到最初的传输点。
光合链包括两个显著的复合物I和复合物II。
光合链最初的电子源是可预测物理化性质的色素-叶绿素（P870+）。
其吸收的光子被用来激发电子，并经由电子传递从光合色素P680+转移到细菌细胞膜内。
而后，这些从光合色素接收到的电子经过一系列的氧化还原，其潜在的能量也被通过高浓度到低浓度的电荷扩散来释放。
细菌电子传递链的应用细菌电子传递链虽然是自然界中细菌所必须的代谢过程，但研究者们也发现了它在科学和工业上的巨大潜力。
首先，细菌电子传递链被应用到微生物燃料电池（microbial fuel cells）中。
微生物燃料电池直接通过细菌的呼吸链将化学能转化成为电能，而不是直接将废料送入垃圾场，能够有效地减轻环境负担。
其优点在于，不像化石燃料一样会产生大量的温室气体，燃料不被耗尽，理论上如果有足够的电子供应，其操作时间将是无限的。
微生物燃料电池的研究现状及其应用前景
微生物燃料电池的研究现状及其应用前景刘想【摘要】微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)技术作为一种节能型污水处理新技术,能够氧化降解各类有机污染物,并同步产生清洁电能,在污废水处理、生物传感器、生态修复等领域具有发展潜力.简述MFCs的基本结构、分类及工作原理,详细介绍MFCs研究现状、研究热点、应用领域,着重分析石墨烯基电极材料对MFCs产电性能的影响,总结并展望MFCs应用前景.【期刊名称】《镇江高专学报》【年(卷),期】2018(031)001【总页数】5页(P44-48)【关键词】微生物燃料电池;电极材料;产电性能【作者】刘想【作者单位】镇江高等专科学校医药与化材学院,江苏镇江212028【正文语种】中文【中图分类】TM911.451 微生物燃料电池技术微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)技术作为一种新型的生物电化学系统，以电化学技术为基础，利用微生物作为催化剂将储存在有机物中的化学能转化为电能[1]。
MFCs是电子的获得与传递过程，即阳极微生物在无氧条件下降解或氧化有机物，产生电子并通过细胞呼吸酶在胞内传递，产生的质子则穿过内膜，流过ATP酶，使 ADP转化为 ATP，为细胞提供能量，电子进而被释放，传递给阳极，再由阳极传递至阴极，并产生相应的由阴极到阳极的电流。
MFCs可以利用微生物直接将废水或污泥中的有机物降解，还可以将微生物代谢过程产生的电子转化成电流，从而获得电能。
1.1 MFCs的分类随着对MFCs技术研究的深入，研究人员依据其基本原理构建了不同类型的MFCs装置。
对MFCs进行分类有助于深入了解各电池的本质区别。
MFCs类型众多，目前尚没有统一的分类标准。
按照MFCs装置的结构分为单室型MFCs[2]，双室型MFCs[3]，堆栈型MFCs[4]。
图1，图2，图3是3种不同 MFCs构型的实物图。
图1 单室MFCs 图2 双室MFCs 图3 MFCs堆栈单室MFCs又名空气阴极MFCs，其阴极直接暴露于空气中，以空气中的氧气为电子受体。
微生物电化学系统的应用及其优化
微生物电化学系统的应用及其优化随着科技的发展，微生物电化学系统在能源、环境等领域得到了广泛的应用。
微生物电化学系统利用微生物与电极之间的作用产生电能和化学物质，是一种绿色、环保、高效的新能源开发技术。
本文将从微生物电化学系统的基本原理、应用领域以及优化措施等方面进行探讨。
一、微生物电化学系统的基本原理微生物电化学系统是由电生活性细菌和电极运作起来的。
电生活性细菌，又称为电化学活性菌，是指能够利用外加电场和电极表面的电子传递给氧化还原酶或细胞内代谢酶的微生物，其内部机制主要是电子转移、质子传递和代谢产物释放。
利用电极与细菌之间的电子转移，在微生物体内进行代谢反应，产生电流、能量和化学物质。
微生物电化学系统通常包括阳极、阴极和电介质三个重要部分。
阳极是微生物电化学系统中最重要的部分之一。
通过阳极上的化学反应，微生物代谢产生的电流从细菌中流到阳极，实现了电子转移和氧化还原反应。
阳极的材料对于微生物电化学系统的性能影响很大，目前常见的阳极材料有碳、铂、金、不锈钢等。
一般来说，碳材料是最常用的阳极材料，主要因为它可以提供更多的交流电流表面积和潜在的催化反应位点。
阴极是微生物电化学系统中最复杂的部分。
它实现了微生物对氧化还原反应的控制和反应产物的选择。
阴极的主要作用是通过还原反应，促进电子的传递和细菌代谢产物的消耗或后续使用。
阴极的材料选择和外部环境条件对微生物的生长和代谢有很大影响，目前常见的阴极材料有氧化银、铜、镀金、铂等。
电介质是微生物电化学系统中起到电子分隔作用的辅助部分。
它的主要作用是防止阴极和阳极部分之间的电子直接流通，同时还能起到保护微生物的作用。
二、微生物电化学系统的应用领域微生物电化学系统在能源领域、环境治理领域等方面有广泛的应用。
在能源领域，微生物电化学系统可以通过生产生物燃料、生产电能、制氢等方法来提供能源。
其中最常用的方法是通过微生物代谢反应的产生电流来制造电能。
这种方法具有节能、环保、易于控制等优点，并且可以应用于各种电化学反应平台。
直接种间电子传递对缓解厌氧消化抑制效应的研究进展
第36卷第24期农业工程学报 V ol.36 No.242020年12月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec. 2020 227 直接种间电子传递对缓解厌氧消化抑制效应的研究进展司哺春1，刘凯强1，林新宇1，刘志丹1，杨改秀2，张源辉1,3（1. 中国农业大学水利与土木工程学院农业农村部设施农业工程重点实验室，环境增值能源实验室，北京 100083；2. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；3. 美国伊利诺伊大学香槟校区农业与生物工程系伊利诺伊 IL61801）摘要：厌氧消化是将生物质废弃物进行资源化利用的有效途径之一。
然而，复杂的原料性质以及反应器高负荷的运行条件会使厌氧消化过程产生多种抑制效应，易导致反应器运行不稳定，产气效率低等问题。
因此，提升厌氧消化反应器运行性能、减缓抑制效应成为当前的研究热点。
区别于以氢气和甲酸为媒介的间接种间电子传递（Mediated Interspecies Electron Transfer，MIET）过程，微生物间的直接种间电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer，DIET）能够在菌群间直接进行电子转移，传递效率更高。
DIET的建立有助于强化厌氧反应的稳定性，提高反应效率，减缓抑制效应。
基于此，该文总结了DIET的研究进展，分析了主要的种间电子传递机制，探讨了DIET对不同类型抑制效应的缓解作用，归纳了DIET潜在微生物的富集效果；在此基础上展望了DIET在减缓厌氧消化抑制效应方面的重点研究方向和应用前景。
关键词：发酵；反硝化；抑制效应；微生物群落；导电材料；直接种间电子传递doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.027中图分类号：S2 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2020)-24-0227-09司哺春，刘凯强，林新宇，等. 直接种间电子传递对缓解厌氧消化抑制效应的研究进展[J]. 农业工程学报，2020，36(24)：227-235. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.027 Si Buchun, Liu Kaiqiang, Lin Xinyu, et al. Research progress of the relief of anaerobic digestion inhibitions based on direct interspecies electron transfer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 227-235. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.027 0 引 言据统计，世界范围内每年大约产生1 460亿t的生物质废物[1]。
生物电化学系统中微生物电子传递的研究进展
Development of Energy ScienceNovember 2014, Volume 2, Issue 4, PP.39-46 Research Advances in Microbial Electron Transfer of Bio-electrochemical SystemYunshu Zhang, Qingliang Zhao #, Wei LiSchool of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China#Email:**************.cnAbstractBio-electrochemical system (BES) was an emerging biomass-energy recovery technology based on electricigens electron transfer (EET), which was applied to recover electric energy (e.g. microbial fuel cell, MFC) and resources (such as hydrogen and methane) and to enhance the removal of heavy metals and refractory organic pollutants (e.g. POPs). The process of electron transfer to the electrode was identified as the key process in such a BES system. In this paper, the recent research achievements about EET both at home and abroad were analyzed and summarized, and the electricigen diversity, the electron transfer pathways and study methods were systematically presented. Finally, the direction of EET research was pointed out.Keywords: Bio-electrochemical System; Microbial Fuel Cell; Electricigens; Electricigen Electron Transfer生物电化学系统中微生物电子传递的研究进展*张云澍，赵庆良，李伟哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨 150090摘要：生物电化学系统（bio-electrochemical system，BES）是一种新兴的以产电微生物电子传递（EET）为基础的生物质能源回收技术，可用于电能（如微生物燃料电池）和资源回收（包括氢气和甲烷等），此外还可用于强化重金属与难降解有机污染物（如POPs）的去除，而其中产电微生物将产生的电子传递到电极是BES的重要过程。
纳米材料介导微生物胞外电子传递过程的研究进展
纳米材料介导微生物胞外电子传递过程的研究进展摘要：微生物胞外电子传递（EET）过程在自然界中普遍存在，并且在能源利用和环境修复等方面具有广阔的应用前景，但是低效的电子传递一直是其在实际应用中的关键瓶颈。
纳米材料具有独特的表面效应、体积效应、量子尺寸及宏观量子隧道效应等性质，引入纳米材料与电活性微生物相结合实现优势互补，可以缩短电荷转移路径，从而提高EET 效率。
本文综述了EET 方式，以及纳米材料的电子转移能力、氧化还原电势、表面结构与性质、生物相容性及纳米材料-微生物的界面构筑对EET过程的影响，重点阐述了纳米材料与电活性微生物界面构筑的各种策略，并讨论了这些策略的适用性和局限性，最后展望了纳米材料强化电活性微生物EET 的未来研究方向。
关键词：电活性微生物；胞外电子传递；纳米材料；界面；生物催化引言微生物胞外电子传递（extracellular electron transfer，EET）是电活性微生物通过特定的呼吸链将胞内氧化电子供体产生的电子转移到胞外电子受体，实现电子受体还原的同时维持微生物自身生长的过程[1-2]。
该现象于1987 年由Lovley 等[3]发现，此后EET 受到了众多科研工作者的关注。
基于这种能力，EET 在清洁电力生产、污水处理、生物修复、生物传感、高能燃料转化合成等方面具有重要的应用潜力和广阔的发展远景[4-5]。
然而，现阶段电活性微生物和电子受体之间相对低效的电子传递是影响EET在实际中应用的关键因素。
因此开发EET 效率的改善手段，研究其传递机理、影响因素及应用前景研究具有重要现实意义。
目前，强化微生物EET 的手段主要是通过内部遗传改造和外部纳米材料介导的两种途径[6-7]。
对电活性微生物进行遗传改造，主要是从以下两大方面：一是直接增加电子传递相关的功能基因的表达；二是提高调节微生物胞外呼吸的蛋白活性。
然而，只有少数表征良好的电活性微生物可用于遗传改造，且EET 的机制目前尚未完全阐明，导致大多数遗传工具无法广泛使用，限制了遗传改造技术的应用。
微生物燃料电池中电子传递机制的探究
微生物燃料电池中电子传递机制的探究微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是一种利用微生物将有机物质氧化成电子和质子的生物化学过程，并利用这些电子和质子产生电能的装置。
这种电池具有独特的优势，如高效、环保、可再生，因此在能源领域引起了广泛关注和研究。
微生物燃料电池中电子传递机制的探究是实现其高效能源转化的关键。
在微生物燃料电池中，微生物可以通过氧化利用可生物降解物质，如有机废弃物、污水或厌氧沼泽。
微生物通过氧化产生的电子会被捕获并通过外部电路流动，从而产生电能。
在电池的阴极端，电子与氧气反应产生水，并与质子结合，完成电子的氧化还原反应。
微生物燃料电池中电子传递的机制没有达成共识，但有两种可能的机制被广泛研究。
第一种机制是直接电子转移（Direct Electron Transfer, DET），此时微生物可以直接将电子从细胞外膜传递到外部电极表面。
第二种机制是间接电子转移（Indirect Electron Transfer, IET），此时微生物通过分泌中间体来传递电子。
在直接电子转移机制中，微生物通常使用一些特殊的细胞外过氧化物酶（extracellular peroxidases）或导电纳米线（conductive nanowires）来将电子传递给电极表面。
这些酶和纳米线可以直接与电极进行电子传递，从而实现微生物燃料电池的能量转化。
此外，微生物还可以通过与电极表面的接触产生电生化学反应，促进电子传递。
与之相反，间接电子传递机制依赖于细菌分泌的可溶性电导性介质来传递电子。
这些介质主要包括多余电子的有机酸、色素分子和小分子化合物。
微生物通过代谢过程产生这些介质，然后释放到周围环境中，再通过扩散与电极表面发生反应传递电子。
尽管直接电子转移机制和间接电子转移机制在微生物燃料电池中都被广泛研究，但仍然有许多未解之谜。
例如，直接电子转移机制中微生物如何与电极进行直接电子传递尚不清楚。
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微生物直接种间电子传递：机制及应用
黄玲艳;刘星;周顺桂
【期刊名称】《土壤学报》
【年(卷),期】2018(055)006
【摘要】微生物种间电子传递(Interspecies electron transfer,IET)是指电子供体
微生物与电子受体微生物之间通过直接或间接方式传递电子形成互营生长关系,从
而共同完成单一微生物不能完成的代谢过程的现象.IET分为间接种间电子传递(Mediated IET,MIET)和直接种间电子传递(Direct IET,DIET).其中,前者一般需要氢、甲酸、核黄素等作为电子载体,而后者是指微生物间通过纳米导线、氧化还原蛋白、导电颗粒等进行直接电子交换.DIET是最新发现的IET方式,DIET的发现改变了微
生物互营代谢必须依赖氢/甲酸等能量载体的传统认识.本文在论述MIET的同时,重点阐述了DIET的三种介导机制,列举了参与IET的典型微生物种类,系统介绍了IET 在厌氧消化产甲烷、甲烷厌氧氧化、微生物脱氯等重要环境过程中的作用机制及应用潜力,并展望了微生物种间电子传递的未来研究方向.本综述有助于加深对微生物IET发生机制的认识,为理解微生物IET在自然界碳氮等元素循环、温室气体排放、污染物降解等关键生物地球化学过程中的作用提供理论基础,为IET的实际工程应
用提供可能.
【总页数】12页(P1313-1324)
【作者】黄玲艳;刘星;周顺桂
【作者单位】福建农林大学资源与环境学院,福州 350002;福建农林大学资源与环
境学院,福州 350002;福建农林大学资源与环境学院,福州 350002
【正文语种】中文
【中图分类】X172
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2.“微生物直接种间电子传递”:一种新的微生物互营模式及其应用 [J], 许杰龙
3.微生物种间直接电子传递方式耦合产甲烷研究进展 [J], 蒋海明; 王路路; 李侠
4.直接种间电子传递对缓解厌氧消化抑制效应的研究进展 [J], 司哺春;刘凯强;林新宇;刘志丹;杨改秀;张源辉
5.电化学原位红外光谱研究希瓦氏菌MR-1的直接胞外电子传递机制 [J], 游乐星;田晓春;姜艳霞;孙世刚
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