【摘要】：地桿菌(Geobacter)是一類具有胞外呼吸能力的厭氧細(xì)菌,廣泛分布于土壤和地下水沉積物中,它們可在胞內(nèi)徹底氧化有機(jī)物,產(chǎn)生的電子經(jīng)胞內(nèi)呼吸鏈傳遞至胞外電子受體(如鐵氧化物、腐殖質(zhì)、固體電極、互營細(xì)菌等)使其還原,并產(chǎn)生能量維持自身生長。地桿菌獨(dú)特的胞外電子傳遞能力,使其在元素生物地球化學(xué)循環(huán)、土壤修復(fù)、污染物降解、厭氧消化產(chǎn)甲烷等方面具有重要應(yīng)用價值。Geobacter sulfurrducens作為地桿菌中的模式菌株,具有完整的全基因組序列信息和完備的基因操作手段,被廣泛用于地桿菌代謝、基因調(diào)控和胞外電子傳遞等方面的研究。Gsu.urreducens胞外分布著豐富的細(xì)胞色素c、胞外多聚物、菌毛和鞭毛。早期研究表明,G.sulfurreducens的胞外細(xì)胞色素c、胞外多聚物、菌毛等均可介導(dǎo)胞外電子傳遞。然而,鞭毛在地桿菌胞外電子傳遞過程的作用還未見報道。本研究以Gsulfurreducens 為對象,通過基因操作方法,恢復(fù)菌株P(guān)CA鞭毛的表達(dá)和抑制菌株KN400鞭毛的表達(dá),分別以水鐵礦、石墨電極和互營細(xì)菌(Geobacter metallireducens)等作為胞外電子受體,探究鞭毛在Geobacter胞外電子傳遞中的作用。主要研究結(jié)論如下:(1)通過恢復(fù)G.sulfurreducen PCA菌株鞭毛表達(dá),獲得了菌株P(guān)CA-PRG5fgrM;通過抑制G.sulfurreducen KN400 菌株鞭毛表達(dá),獲得了菌株KNΔFilC;在缺失菌毛組裝蛋白(PilB)基礎(chǔ)上,獲得了菌株 PCAΔPilB-PRG5fgrM 和 KNΔPilBΔFilC。(2)發(fā)現(xiàn)鞭毛可促進(jìn)G.sulfurreducens還原胞外難溶性水鐵礦。菌株P(guān)CA-PRG5FgrM對水鐵礦的還原速率高于野生型菌株P(guān)CA,而菌株KNΔFilC對水鐵礦的還原速率低于野生型菌株KN400,可見恢復(fù)鞭毛的表達(dá)可提高其還原水鐵礦速率,而缺失鞭毛則使其水鐵礦還原速率降低。說明鞭毛的游動性賦予了G.sulfurreducens 定位更多新鮮水鐵礦的能力,進(jìn)而提高其還原水鐵礦的速率。(3)發(fā)現(xiàn)鞭毛可提高G.sulfurreducens 產(chǎn)電性能。通過生物膜厚度和總蛋白含量分析,發(fā)現(xiàn)鞭毛可提高2倍的生物膜厚度;在生物膜胞外細(xì)胞色素c含量與組成方面,缺失鞭毛使其胞外細(xì)胞色素c含量降低54.5%,但對其組成無影響;利用電化學(xué)手段表征生物膜,發(fā)現(xiàn)鞭毛可提高其將電子傳遞到電極的能力。結(jié)果表明,鞭毛可作為支架結(jié)構(gòu)促進(jìn)產(chǎn)電生物膜的形成,提高單位電極面積的產(chǎn)電生物量和胞外細(xì)胞色素c含量,從而提高其產(chǎn)電性能。(4)發(fā)現(xiàn)鞭毛不影響G.sulfurreducens KN400與G.metallireducens GS-15種間直接電子傳遞,但有利于共培養(yǎng)體系的形成。通過構(gòu)建 KNΔFilC 與 GS-15、KN400 與 GS-15△FilC、KNΔFilC與GS-15ΔFilC等三組共培養(yǎng)體系,研究鞭毛種間直接電子傳遞中的作用,結(jié)果表明鞭毛在種間直接電子傳遞中無作用,但可促進(jìn)共培養(yǎng)體系的形成。本研究通過構(gòu)建G.sulfurreducens鞭毛表達(dá)與缺失的突變株,表明鞭毛可促進(jìn)水鐵礦還原、電極還原、互營細(xì)菌等胞外電子傳遞過程,不僅改變了鞭毛僅僅作為細(xì)菌運(yùn)動性器官的傳統(tǒng)認(rèn)識,還為理解微生物胞外電子傳遞過程提供新的視角。
【圖文】：

－素ｃ的酶催化，以直接接觸的方式，將電子直接傳遞給胞外電子受體。逡逑（２邋）當(dāng)細(xì)胞與胞外電子受體進(jìn)行長距離電子傳遞時，通過微生物納米導(dǎo)線，逡逑將電子傳遞到胞外電子受體。納米導(dǎo)線是生長在細(xì)胞周圍的且具有導(dǎo)電性能的聚逡逑合蛋白微絲，長達(dá)數(shù)十微米，直徑約為一百納米。其可在微生物之間或者微生物逡逑與胞外電子受體之間形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)長距離的電子傳遞。逡逑（３）通過微生物自身分泌的電子穿梭體，在細(xì)胞質(zhì)或周質(zhì)氧化底物釋放電逡逑子，擴(kuò)散到細(xì)胞外，將電子傳遞到胞外電子受體。隨后電子穿梭體自身又變?yōu)檠蹂义匣瘧B(tài)，重新進(jìn)入細(xì)胞接受電子。電子穿梭體以氧化態(tài)和還原態(tài)的交替變化，來實(shí)逡逑現(xiàn)胞外電子傳遞。相對于直接電子傳遞，該種機(jī)制傳遞效率較低，但可以作為輔逡逑助性方式參與種內(nèi)或種間的遠(yuǎn)距離電子傳遞。逡逑（４）應(yīng)電運(yùn)動是在中發(fā)現(xiàn)的一種新型的胞外電子傳遞機(jī)制�？垮义辖馐荏w的細(xì)胞將氧化底物產(chǎn)生電子存儲于細(xì)胞表面，形成電容器，然后利用逡逑鞭毛運(yùn)動快速撞擊受體表面，釋放電子并還原受體，瞬間接觸后又迅速脫離受體，逡逑緊接著又參與下一個循環(huán)。這種應(yīng)電運(yùn)動機(jī)制與電子穿梭機(jī)制有明顯的區(qū)別，應(yīng)逡逑電運(yùn)動無需通過介體，而是依賴細(xì)胞本身的運(yùn)動傳遞電子。逡逑

．邐的胞外電子傳遞與Ｇ．邋？ｓｗ＾／ｉｗ＾／ｉ／ｃｅ／ｗ■相似，，也零要細(xì)胞色素ｃ參與。由于細(xì)胞色素ｃ在地桿菌間并不具有保守性，／／ｚ＞ｅ辦ｃｅｍ代謝三價鐵氧化物的細(xì)胞色素具有菌株特異性。利用轉(zhuǎn)錄作手段方法分析發(fā)現(xiàn)，在Ｇ．邐編碼細(xì)胞色素ｅ０９３０、Ｇｍｅｔ＿０９０９、Ｇｍｅｔ—０５５８、Ｇｍｅｔ＿０５５７、Ｇｍｅｔ—２８９６、Ｇｅｍｔ＿１８ｌ邋８６７是還原三價鐵氧化物所必需的［２５］。其中，Ｇｍｅｔ＿２８９６ｒａ＾ｗｃｅｎｓ的ＯｍｃＥ位于相同的蛋白家族，其功能ｂ＿｜能與ＯｍｃＳ更０９３０與Ｇ．似辦／＊eW／？ｃｅｍ■的ＯｍｃＺ位于同一蛋白家族，Ｇｍｅｔ＿０５５０５８８分別與（７．邋■ｓｗ＾／ｉ＂Ｔ？／ｗｃｅ似的ＯｍｃＰ和ＯｍｃＯ為同源蛋白，但是ｃＯ并不是Ｇ．也ｃｍ？代謝三價鐵氧化物所必需的。Ｇ．邋／？他／／／＞？／價鐵氧化物的基因還包括Ｇｍｅｔ＿０５５６、Ｇｍｅｔ＿２０２９胞外多糖和，／ｃ２陽極代謝逡逑鐵呼吸之后，電子傳遞到電極的產(chǎn)電呼吸方式成為了地桿菌胞外電研[偡較頡Ｓ肽訝芐緣娜厶躉鏘嗨�，阳极也是一种不绕S緣奶壞氖牽械緄難艏梢暈榷ǖ慕郵艿繾櫻一

本文編號：2679801