摘要


细菌呼吸是生物地球化学循环和生物修复过程中的重要驱动力。 细菌呼吸的电子受体通常以固体和可溶性形式存在于环境中。 了解附着在固体电子受体上的固着细菌对环境可溶性替代电子受体的反应是很重要的。 微生物燃料电池（MFC）为研究这种相互作用提供了一个有用的工具。 在Shewanella脱色的MFC中，偶氮染料被用作阳极室中的替代电子受体。 生物膜和浮游细胞的呼吸模式不同，浮游细胞更喜欢用偶氮染料呼吸，而生物膜细胞同时用阳极和偶氮染料呼吸。 额外的偶氮呼吸驱散了阳极生物膜内的质子积累。 生物膜与阳极表面之间存在较大的氧化还原电位间隙。 改变阴极条件会立即影响阳极电位，但不会影响生物膜电位。 当仅使用阳极或偶氮染料呼吸时，生物膜活性表现出与呼吸相反的依赖性曲线，当同时使用两者呼吸时，生物膜活性增强。 这些结果为细菌在含有多个电子受体的环境中的呼吸策略提供了新的见解，并支持Shewanella电极呼吸生物膜内的电子跳跃机制。

介绍


厌氧微生物呼吸是地球地下生物地球化学循环和各种生物修复过程中的核心驱动力。1,2细菌呼吸的电子受体一般可分为两种形式，即可溶性电子受体，如硝酸盐、硫酸盐、， 溶解氧和固体电子受体，如Fe（III）和Mn（IV），主要以矿物形式存在。 这两种形式的电子受体在大多数自然环境中普遍存在。 因此，了解附着在固体电子受体表面的细菌细胞如何与其他环境可溶性电子受体相互作用是理解整个生物地球化学过程的基础。


添加有利的电子受体如Fe（III）或硝酸盐被认为是刺激污染场地生物修复的一种有希望的策略 − 5代表性微生物燃料电池（MFC）的生物电化学系统（BES）为细菌（外电）提供一个阳极作为固体电子受体，同时在污染环境中发电和进行生物修复。6,7， BES为理解细菌和固体电子受体（如电极、矿物或其细菌伙伴）之间的电子转移机制提供了一种新的、可量化的工具。 BES应用的一个重要问题是替代电子受体（如O2、硝酸盐、硫酸盐或CO2）在复杂环境系统中的普遍性。8 − 10理论上，替代电子受体的存在可能会消散流向阳极的电子流，并影响BES的性能。 然而，与直觉相反，一些研究报告表明，不同的细菌呼吸可能同时发生，甚至在BES中相互增强，9,11,12表明现场应用的BES中的微生物电子转移网络可能比预期的更复杂。


阳极呼吸生物膜在BES中起着关键作用。 阳极呼吸生物膜中的电子转移机制已被深入研究，但仍存在争议。13 − 15两种细菌 − 最近提出了电极电子转移模型，包括电子跳跃和类金属导电性。14,15物理化学微环境（例如pH、氧化还原电位和扩散效率）和生理特性（例如转录、活力和代谢物） 由于电子向电极转移，阳极内的呼吸生物膜在空间上分层。16 − 19这些发现为理解自然环境中阳极呼吸生物膜和矿物呼吸生物膜内的电子转移机制提供了关键信息。 然而，迄今为止，大多数关于BES的研究都是使用阳极作为唯一的电子受体进行的，因此关于多个电子受体的存在如何影响阳极生物膜的信息很少。


在这项研究中，我们测试了偶氮染料苋菜红，一种广泛存在于纺织废水中的化学物质，作为代表性的替代电子受体，以检查其对MFC阳极生物膜的影响。 MFC接种了谢瓦氏脱色菌，这是一种形成生物膜的外电原。 在MFC中，交替电子受体随着电流的产生而同时减少。 在阳极室中，浮游生物和生物膜细胞的呼吸发生了空间分异。 在阳极生物膜内观察到电子受体依赖的化学和生理分层，表明在存在多个电子受体的情况下，Shewanella生物膜内存在分层和灵活的电子转移模式。


生物膜的呼吸系统和生理层次中的电子受体的依赖性——摘要、介绍

生物膜的呼吸系统和生理层次中的电子受体的依赖性——材料和方法

生物膜的呼吸系统和生理层次中的电子受体的依赖性——结果和讨论

生物膜的呼吸系统和生理层次中的电子受体的依赖性——结论、致谢！