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。

本文分析总结了近年来国内外学者在EET方面的研究成果，系统地介绍了产电微生物的多样性、EET的途径和研究电子传递的方法，在此基础上指明了EET研究的发展方向。

关键词：生物电化学系统；微生物燃料电池；产电微生物；产电微生物电子传递引言生物电化学系统（bioelectrochemical system，BES）近年来在环境和能源领域受到广泛的关注。

BES是微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）研究的拓展，MFC的发现最早追溯到上个世纪初，英国的植物学家Potter在进行厌氧培养时发现可以产生开路电压和电流，拉开了微生物产电研究的序幕[1]。

随着化石燃料短缺带来的能源危机，生物质能源作为可再生能源逐渐受到人们的重视。

到了20世纪中叶，针对微生物产电的研究才逐渐升温，将微生物产电和燃料电池技术相结合，构建了MFC系统。

近几年，MFC从产电研究逐渐过渡到生物质资源化的应用方面，BES应运而生。

研究发现，通过BES，CH4[2]、H2[3]等高附加值生物能源的合成效率显著提高；BES能够有效提高重金属的还原去除，如U(Ⅵ)[4]、Cr(Ⅵ)[5]等；BES可以应用于难降解有机污染物的去除，如石油烃[6]、多氯联苯和硝基苯等[7]；BES应用于脱盐的研究，发现BES可以有效地去除溶液中的阴、阳离子[8]。

随着对BES研究的逐渐深入，BES的应用前景会更加广阔。

其中电子传递过程是BES研究的重要理论基础，因此对电子传递过程的深入研究是十分有意义的。

*基金资助：本研究得到国家自然科技基金支持资助（51378144）。

1产电微生物产电微生物是BES电子传递过程中最主要的组成，它将底物氧化产生电子并传递到电极上，完成电子传递。

关于产电微生物的研究始于两类异化的金属还原菌Shewanella和Geobactor，这两种微生物可以利用细胞外的金属离子作为电子受体进行呼吸，维持自身代谢。

至今为止这两株微生物的全基因测序已经完成[9,10]。

随着分子生物学的迅猛发展，对不同系统中分离的电极生物膜进行群落结构统计分析，总结发现目前已分离的产电微生物主要源于Proteobacteria, Firmicutes, Acidobacteria, Bacteroidetes等门。

产电微生物底物利用的广谱性对BES的应用十分重要，Chaudhuri等人发现Rhodoferax ferrireducens可以高效率地利用葡萄糖、乳酸、果糖、蔗糖等较为复杂的有机物进行产电，并且具有很高的库伦效率（80%）[11]；纯菌接种的MFC的功率密度通常低于混合菌种接种的MFC，Xing等人分离出一株新的产电菌Rhodopseudomonas palustris DX-1，它可以高效地氧化乙酸、乳酸和乙醇进行产电，并且通过对比试验发现其与混合菌接种的MFC 具有相当的功率密度[12]；胞外产电菌通常为严格厌氧的微生物，华南师范大学的Zhang等人分离出一株兼性厌氧的产电菌Klebsiella pneumoniae，它以葡萄糖为底物，对培养环境要求低，具有很高的应用前景[13]；Liu 等人发现，BES中的微生物对环境的变化十分敏感，不同温度环境下电极生物膜微生物群落结构的区别主要体现在Deltaproteobacteria和Gammaproteobacteria的分布，且低温中的Simplicispira psychrophila和Psychrophilus明显增多[14]；Geopsychrobacter electrodiphilus和Thermincola sp.分别是两株耐寒和耐热的产电菌，这两种微生物的发现使得BES的应用温度范围得以扩宽[15,16]。

根据BES应用领域的不同，其阳极生物膜上的微生物多样性体现的更明显。

Zhang等发现在MEC中Firmicutes的比例很高，猜测其在MEC的电子传递中起到重要的作用[17]。

M. Lenin等人发现通过暗发酵的污水中丰富的可溶酸中间体，包括醋酸、丙酸盐和丁酸盐可以为MEC提供碳源，并通过分子生物学技术证明γ-proteobacteria(50%)，Bacilli(25%) 和Clostridia(25%)为阳极的优势微生物[18]。

Sacco等人利用美国拉普拉塔河河的岸边的底泥作为阳极的主要底物，构建了沉积物MFC (SMFC)。

提取石墨电极表面生物膜的DNA 分析，发现膜中的微生物群落组成主要为Shewanella sp .、Pantoea sp .、Pseudoalteromonas sp.和Antarctic bacteria R-11381[19]。

近年来电缆细菌的发现为产电微生物的发现开拓的新的领域。

Pfeffer等人在SMFC中发现，不同于纳米导线，即使沉淀层和覆水层之间的距离在1cm以上，氧气在覆水层还原伴随硫化物在沉淀层氧化这一过程会也产生电流。

为了探究其产生原因，在沉淀层中的发现一株Desulfobulbaceae丝状真菌，实验证实了Desulfobulbaceae的电子传输是通过低氧区的连贯的电子通道，而绝非传统的利用电子中介体或纳米导线以及细胞色素C等进行电子的传输，实验分析发现剪断沉积层中的丝状物后沉积层中的氧气的消耗率逐渐增加。

证明在丝状真菌存在的时候电子可以通过丝状真菌从下层传递到上层使得上层的氧气还原，而当剪断之后电子无法传到上层，因此下层氧气的消耗要比剪断之前高[20]。

2电子传递BES的运行过程就是电子从电子供体通过一系列的电子传递，直到最终电子受体。

电子传递分为阳极电子传递和阴极电子传递。

如何进行高效的电子传递和提高电子的利用率有助于提高BES的电活性和库伦效率。

因此深入研究电子传递的过程在整个BES的发展历程中显得尤为重要。

当可溶性电子受体被耗尽后，微生物会通过胞外电子传递将电子传递到不可溶的电子受体上，称之为胞外电子传递（EET）。

BES的电子来源于底物在微生物细胞内的氧化，形成电子需要从微生物细胞膜的内膜传递到阳极电极上，这个过程是整个BES反应中主要的限制因素之一。

近些年来，很多学者对EET进行了深入的研究，逐渐概况了两种EET机制即直接电子传递（DET）和间接电子传递（IET），具体过程如图1所示。

但相关研究主要局限于模式微生物shewanella oneidensis和图1 BES主要的电子传递方式2.1直接电子传递（DET）其中DET又分为利用膜束缚性（或附属性）酶复合物（主要是细胞色素C）参与，和利用导电性的纤毛和其类似结构进行电子传递。

细胞在和电活性表面进行接触时，会在膜结合的电活性化合物的作用下发生电子传递，而不同属的微生物，其将醌/甲基萘醌池中的电子传递到细胞外膜上的电活性氧化还原蛋白的过程也各不相同，很多文献对细胞色素C进行研究，并证明它定位在细胞外膜上并作为电子穿梭的通道将电子传递到固相的电极中。

Shewanella oneidensis MR-1细胞膜结合蛋白CymA为四亚铁红素，接受醌/甲基萘醌池的电子并还原周质还原蛋白。

后续报道这种结合蛋白可以间接参与不同的电子受体的呼吸反应，如Fe3+、Mn4+和硝酸盐等，并证明了细胞外的电子传递链和质子穿透内膜的过程是独立的。

周质还原蛋白主要由MtrA、MtrB和MtrC构成，而MtrD、MtrE、MtrF分别是MtrA、MtrB和MtrC的同系物。