研究简介:为了应对全球能源挑战和环境问题，迫切需要可持续和生态友好的能源供应，这推动了众多新技术的发展。多种细菌物种已被用于氢气(H2)生产或通过生物质和废水处理进行可再生生物发电。在为这些系统提供动力的细菌中，希瓦氏菌于20世纪80年代末被发现，是一种异化金属还原微生物，因其将电子从细胞质呼吸氧化反应转移到外部含金属矿物质的能力而受到广泛研究。鉴于H2燃料是最有前途的化石燃料替代品之一，将化学能创新为H 2能源的发达生物制造应该代表一种有前景的方法。大规模H2生产对环境影响较小。由于氢化酶的不耐氧性或半导体的生物相容性较低，微生物生物制氢在产氢速率和持续时间上的进一步提高仍然需要研究人员付出很大的努力。构建一个稳定有效的厌氧环境来激活氢化酶对于可持续的H2生成至关重要，尽管它在整个细胞中仍然很大程度上未被探索。研究人员提出了一种通过将奥奈达湖杆菌细胞掺入海藻酸钙/石墨烯基质中来产生人工微生态位的方法。形成的微生态位呈微粒形式，每个微生态位（41μm）平均有847个奥奈达湖杆菌细胞。本论文研究了奥奈达湖杆菌细胞的呼吸代谢和空间协同作用，以促进微生态位内厌氧微环境的形成，从而有效地提高H2的产生。揭示了由于加入了包括石墨烯和聚多巴胺（PDA）在内的电活性物质而形成的导电微利基结构，该结构可以促进电子转移。本研究开发的微利基增强H 2生产系统将扩展提高H 2生产的方法。


Unisense超微呼吸系统的应用


unisense O2微电极传感器是尖端直径为10μm的OX-10微传感器。测试单个微缺口内的O2浓度、H2浓度和氧化还原电位，单个微缺口直径为1.2mm，密度相同准备了(2.35×10 10 cells/cm3)作为用于定量等主要数据中的析氢的微生态位。显微操作器的步长为5μm，用于O 2、H 2和氧化还原电位测量。新制备的微生态位用于测量H 2产量至少6小时。从反应系统中收获聚集体。将一层微生态位固定在琼脂基质（1.5 wt%琼脂）上。微电极的直径只有10μm，为了保护微电极在向下运动过程中不被损坏，样品必须放置在琼脂基底上。


实验结果


通过优化的两步Pickering乳液技术创建基于奥奈达湖杆菌的混合微生态位，开发了一种人工微生态H2生产模型。研究揭示了厌氧微环境和细胞外电子的再利用是奥奈达湖杆菌细胞实现H2产生的两个关键因素。作为一种新型的H2生产模型，在奥奈达湖杆菌周围集成石墨烯和基于PDA的涂层应该是一种有效的方法，可以创建导电微利基，连接细胞外电子反向转移路径。与游离的奥奈达湖杆菌相比，MR-1 PDA/G微生态位的H 2产生率提高了12.7倍。值得注意的是，整个过程显示出良好的生物相容性，这使得构建的微生态位系统能够长期产氢30天。

图1、示意图显示了基于奥奈达湖杆菌的人工杂交微生态位内奥奈达湖杆菌细胞的组装、空间分布和功能调节。(a)通过两步乳化方法，大量奥奈达湖杆菌细胞（绿色棒）被紧密封装在海藻酸钙水凝胶基质中。形成的微生态位为奥奈达湖杆菌细胞提供了有限的空间，促进了由于呼吸而形成的厌氧环境。因此，与游离细菌相比，微生态位内的奥奈达湖杆菌细胞彼此更加接近，这有利于细菌间的电子转移。(b)细菌间电子传递增强：无氧代谢产生的电子（紫色圆圈）通过电子从细胞质转移到位于周质（内外膜之间的区域）和细胞外环境的氢化酶（蓝色柱）运输链（深红色球体），同时细胞外电子可以很容易地通过石墨烯被相邻的奥奈达湖杆菌细胞接收，然后转移到氢化酶。

图2、基于奥奈达湖杆菌的球形微生态位的形成。(a)使用1 mL 1%海藻酸钠和1 mL奥奈达湖杆菌细胞悬液形成的微生态位的光学显微镜图像(OD 600=4.0,109细胞/mL)，比例尺，50μm。(b)单个球形微生态位的SEM图像，显示奥奈达湖杆菌细胞封装在基于藻酸盐的基质中，比例尺，10μm。(c,d)微生态位的2D(c)和3D(d)共焦扫描图像，显示整个微生态位中存在DAPI标记的奥奈达湖杆菌细胞；激发波长为405 nm，比例尺分别为50μm和10μm。(e)单个微生态位上的蓝色荧光强度图。插图显示相应的共焦扫描图像，染色如(d)所示，比例尺，10μm。(f)含有[Ru(dpp)3]Cl2氧指示剂的微生态位的荧光图像；激发波长为488 nm，比例尺为40μm。(g)在单个微利基中基于氧微电极传感器的测量的示意图。使用琼脂作为基底来保护电极。(h)微生态位内不同深度的O2浓度。(i)微生态位和游离奥奈达湖杆菌细胞的氧化还原电位曲线。