图3、微生态位中H2产生的增强。(a)H2浓度随深度的变化，游离奥奈达湖杆菌作为对照。通过可调节溶液深度的氢微电极检测H 2浓度。(b)游离SW细胞（黑色圆圈）中H2量的时间依赖性测量，微生态位凝结有不同浓度的Ca2+（5 mM（绿色方块），10 mM（蓝色三角形）和20 mM（紫色倒三角形）。选择1 mL 1%海藻酸钠和1 mL S.oneidensis悬浮液（OD 600=4.0，109细胞/mL）为所有测试准备微生态位。数据以平均值±SD表示，误差线表示标准偏差（n=3，生物学独立样本）。(c)使用OD 600为3.0（绿色）、4.0（蓝色）和5.0（紫色）的细菌悬浮液制备的微生态位，H 2的时间依赖性生产。(d)S.oneidensis MR-1(MR-1)/G微生态位的薄切片冷冻SEM图像，显示海藻酸盐基质内的S.oneidensis细胞（绿色）。比例尺，15μm。(e)MR-1/G微生态位内部结构的放大冷冻扫描电镜图像，显示微生态位中奥奈达湖杆菌细胞和石墨烯之间的相互作用。比例尺2μm。(f,g)天然奥奈达湖杆菌(f)以及奥奈达湖杆菌和石墨烯混合物(g)的TUNA当前图像以及相应的统计直方图（插图）。通过统计直方图中的高斯曲线得到单峰拟合。(h)分别由奥奈达湖杆菌细胞（绿色）、MR-1 PDA（蓝色）、MR-1/G（紫色）和MR-1/海藻酸钠（红色）制备的微生态位的EIS奈奎斯特图。实线表示拟合结果，拟合电路如图所示。(i)H 2产生游离的奥奈达湖杆菌与细胞色素c、核黄素和中性红，持续7天。

图4、微生态位内的细菌间电子传递路径。(a)由六个突变体制备的微生态位7天产生H2。选择1 mL 1%海藻酸钠和1 mL奥奈达湖杆菌细胞悬液（OD 600=4.0，109细胞/mL）为所有测试准备微生态位。(b)石墨烯（黑网）和PDA、膜蛋白（包括CymA、MtrA、MtrB、MtrC、OmcA）和未知血红素蛋白（未知路径）在微生态位内奥奈达湖杆菌细胞之间的电子传递中的作用。所有电位均针对SHE（E 0′，pH=7，T=298.15 k）、小周质细胞色素（即StcA）、小四血红素细胞色素（STC）。(c)天然奥奈达湖杆菌细胞（上）和MR-1 PDA细胞（下）的表面粗糙度测量。（d）本地奥奈达湖杆菌（上）和MR-1 PDA（下）的杨氏模量统计直方图，并通过高斯曲线进行单峰拟合。与原生奥奈达湖杆菌（16.2 nm，110 MPa）相比，MR-1 PDA的粗糙度和杨氏模量有所增加（22.9 nm，162 MPa），这与SEM一致。(e)奥奈达湖杆菌MR-1、MR-1 PDA和MR-1/G的CV曲线。(f)TUNA MR-1 PDA的当前图像以及相应的统计直方图(插图)。通过统计直方图中的高斯曲线得到单峰拟合。(g)MR-1 PDA微生态位、MR-1/G微生态位、MR-1 PDA/G微生态位和微生态位的H2的时间依赖性产生LB中含有20 mM乳酸钠。

图5、微生态位的长期H2生产。(a)奥奈达湖杆菌在微生态位中的时间依赖性存活。(b)H2生产过程中微生态位尺寸的变化。(c)产生H2 12天后微生态位中奥奈达湖杆菌细胞的细胞内NADH/NAD+比率，以及(d)奥奈达湖杆菌的细胞干重(DCW)生产H 2 12天后的微生态位中的奥奈达湖杆菌细胞，其是通过在40℃真空干燥后称重干奥奈达湖杆菌细胞沉淀而获得的。(e)H2生产过程中微生态位的pH值随时间的变化。(f)MR-1 PDA微生态位、MR-1/G微生态位、MR-1 PDA/G微生态位和中的微生态位随时间的累积H 2产量用20 mM乳酸钠进行LB。培养基随着Ca2+的重新交联而更新，以重新开始H2的产生，直到30天。


结论与展望


本研究将活微生物和非生命基质协同整合到新的人工微生态系统中是生物制造尤其是可持续能源技术发展的关键挑战。研究人员开发了一种创建基于奥奈达湖杆菌的导电微利基的方法，通过整合石墨烯、聚多巴胺和藻酸盐来提高氢气产量。研究发现呼吸代谢会诱导微生态位内的局部缺氧条件，并且有线的细胞外电子逆转从外部环境到周质氢化酶的转移途径，从而有助于提高产氢率，与传统方法相比，提高了约12.7倍。溶液中游离的希瓦氏菌。值得注意的是整个组装过程表现出良好的生物相容性，确保微生态位内的希瓦氏菌能够维持30天的产氢能力。本研究的系统可以为促进H2生产提供一个创新平台。该领域的发展。预计这种通过创建活体/非活体混合微联合体来促进微生物功能的开发策略，可以为各种组装活细胞材料的向前发展贡献一个新的范例，并在各种绿色生物制造中具有潜在的应用。