细菌跨膜电子传递过程的环境功能和电化学调控

【摘要】跨膜电子传递机构是电化学活性细菌参与环境氧化还原化学的分子基础,也是细胞-受体界面电子传递过程的核心组分。目前根据分子遗传学和光谱电化学技术手段获取的对跨膜电子传递蛋白/分子的认识,无法完全解释电化学活性细菌在环境中的活性或澄清电子传递通道的组成。因此,研究电子传递机构在环境界面的生理活性,揭示细菌胞外电子传递策略的生理调控,对于深入认识电化学活性细菌的跨膜电子传递机制及其环境功能十分重要。本论文针对电化学活性细菌在细胞-环境受体界面电子传递的关键问题,研究了细菌跨膜电子传递过程的环境表现和电化学调控,探索了电化学活性细菌的电子传递策略和介导化学过程,为电化学活性细菌的应用研究提供了依据。论文的主要研究内容和结果如下：1.以ShewanellaoneidensisMR-1对溶解态SeO32-的还原为例,揭示了电化学活性细菌的各种厌氧呼吸还原酶/分子通过异化还原对环境污染性受体进行生物解毒的能力和分子机制。通过对多种基因缺陷株还原能力的测试,证明和解析了S.oneidensisMR-1利用厌氧呼吸系统还原清除胞内SeO32-的分子机理。研究发现S.oneidensisMR-1对SeO32-的还原是快速的胞内异化过程,其主要还原产物为Se(0),Se(0)依次在胞内和外膜上以颗粒形式沉积。与一般细菌通过还原性硫醇驱动清除胞内SeO32-的还原模式不同,S.oneidensisMR-1利用多样化的厌氧呼吸系统执行对SeO32-的还原。周质空间的延胡索酸还原酶FccA作为直接还原SeO32-的黄素蛋白。还原过程对CymA的依赖性以及受延胡索酸抑制的发现同样支持这一结论并证实了Se032-还原的电子通道。S.oneidensisMR-1周质空间中的硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶和外膜Mtr蛋白几乎不参与细胞对Se032-的还原反应。2.以Geobactersulfurreducens细胞和α-Fe2O3构建了直接的电化学界面,探索了电化学活性细菌在激发态、半导体电子受体表面的电荷缺陷中心处进行胞外放电并驱动细胞呼吸的可能性。发现在高于-0.25V的极化电势下,光激发α-Fe2O3可以加速G.sulfurreducens细胞向α-Fe2O3的电子传递。光激发显著提高了a-Fe2O3内部电荷传导性能,使非平衡电荷得以快速转移,从而避免α-Fe2O3的还原溶解。证明了在光激发条件下细胞呼吸和放电与α-Fe2O3内部电荷分离之间的耦合关系。通过电化学和生理抑制实验,证明光电流完全来源于α-Fe2O3表面细胞的呼吸放电。从细胞粘附到α-Fe2O3表面并产生阳极呼吸电流开始,细胞异化呼吸和消耗底物的速率与界面光电流大小成正比。此外,研究发现快速的界面电子传递和相对温和的氧化能力,避免了细菌-电极界面处大量自由基的生成,使细胞在激发态α-Fe2O3表面维持良好的生化活性。3.在-0.1V～+0.6V的电势范围内观测G.sulfurreducens细胞在电极表面自发粘附、呼吸、放电并驯化成膜的过程,同时根据传导层的生物化学测试和电化学表征研究了成熟生物膜内部的传导特性,从而澄清了极化电势对拥有多样化氧化还原复合物的电化学活性细菌的胞外电子传递过程的影响,。发现+0.0V～+0.2V的极化电势最有利于G.sulfurreducens细胞在电极表面粘附、放电、生长,最终形成高活性、厚而致密的生物膜,单细胞在电极表面的放电效率最高；而在更高电位下,细胞初始粘附、放电明显滞后,最终形成更薄的生物膜,单细胞放电能力也较差。尽管所有生物膜内部基本的传导方式均为氧化还原活性中心之间的电子隧穿,但是在低电势下培育的生物膜合成更多的胞外含血红素蛋白以及更少的胞外多糖,同时表现出更低的电子转移电阻。研究还发现,各生物膜在电极表面的主要氧化还原物种种类一致,但在+0.2V～+0.4V下的数量比其他电势下的更丰富。4.利用四种具有电子摄入生理特征的细菌在惰性固体电极表面的固着,表征了阴极条件下细胞-电极的直接电化学相互作用,以研究阴极生物催化的基本模式和实现条件。发现在电子受体存在时电极表面的T.denitrificans和G.sulfurreducens细胞可以立即表现出阴极电催化活性,产生最大阴极电流分别为-7.1μA/cm2和-4.2μA/cm2。而A.thiooxidans和G.metallireducens则需要相当的延迟才产生显著的阴极电流,可能发生了一定的生理代谢改变。极化电位的驯化对细胞的阴极电化学活性非常重要,在-0.3V阴极电势下驯化的细胞比在阳极电势下驯化的具有更强的阴极电化学活性。利用G.sulfurreducens生物膜进行的实验表明,电子受体对阴极电流的产生是必需的。此外,细胞在电极表面的两种固着方式产生相近的阴极电化学活性,并在电极表面都存在氧化还原活性物种。
【作者】李道波；
【导师】俞汉青；
【作者基本信息】中国科学技术大学，环境工程，2014，博士
【关键词】电化学活性细菌；跨膜电子传递；细胞色素c电子受体；传导性纤毛；SeO32-α-Fe2O3生物阴极；

【参考文献】
[1]张永江.基于混合天线模式AD HOC网络的MAC-ROUTE跨层设计与实现[D].苏州大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[2]郎静.长三角地区屋顶花园发展研究[D].浙江大学,风景园林（专业学位）,2011,硕士.
[3]张龙艳.陕西省中小企业融资效率研究[D].西北大学,产业经济学,2013,硕士.
[4]郭倩.初中生感戴、情绪智力与心理健康的关系及其干预研究[D].广西师范大学,发展与教育心理学,2013,硕士.
[5]喻旭燕.Translation Variations in Foreign Publicity[D].浙江大学,英语语言文学,2004,硕士.
[6]陈艳霞.寿光市农民专业合作社管理模式研究[D].西北农林科技大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[7]傅若农.气相色谱中碳固定相的演变[J].化学试剂,2015,01:1-7.
[8]李岳.大鼠正中隆起Nestin，Sox2和BrdU阳性细胞的分布及形态学研究[D].河北医科大学,人体解剖与组织胚胎学,2013,硕士.
[9]卢赛楠.课堂应用单一物理情境进行教学的案例研究初探[D].首都师范大学,学科教学,2013,硕士.
[10]李静.杭州城市湿地动态变化与热场分布的关系研究[D].新疆农业大学,环境科学,2012,硕士.
[11]喻占武,李锐,张晋东,胡瑞敏.供电局配电故障分析与预测系统[J].计算机工程与应用,2002,06:223-226.
[12]石冰.琴曲《阳关三叠》流变研究[D].天津音乐学院,音乐表演,2014,硕士.
[13]李延雪.广义非线性参数规划模型及其最优值函数的几类凹凸性[D].重庆大学,应用数学,2014,硕士.
[14]王振峰.卵石地层中地铁隧道盾构施工引起的地表沉降研究[D].西安科技大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[15]魏相强.风载作用下JJ225/41-K型井架承载能力的数值分析[D].西南交通大学,工程力学,2013,硕士.
[16]杨皓聿.大口径非球面子孔径拼接测量技术研究[D].西安工业大学,精密仪器及机械,2014,硕士.
[17]陈琳.最简方案下“挨”字句的生成模拟及相关问题研究[D].华中师范大学,汉语言文字学,2012,硕士.
[18]沈静林,辛霞.石墨烯掺杂的环糊精/支状聚醚水凝胶的性能表征[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第26分会：胶体与界面[C].中国化学会:,2014:1.
[19]张艳丽.地区安全复合体视角下上海合作组织的发展动力[D].辽宁大学,国际关系,2012,硕士.
[20]陈大华,庞强.CP-3500H在CGL传动控制中的应用[J].冶金自动化,1998,06:34-37+41.
[21]顾丛汇.地铁列车车厢内部火灾的特性研究[D].北京交通大学,2013.
[22]张鑫.改良Stoppa入路治疗骨盆前环损伤的临床疗效观察[D].湖北中医药大学,中医骨伤科学（专业学位）,2013,硕士.
[23]彭姗姗.考虑公平性约束的危险品运输网络设计研究[D].北京交通大学,运输与物流,2013,硕士.
[24]刘行.新的抗分化基因HA117的鉴定、功能研究及临床意义[D].重庆医科大学,儿科学,2014,博士.
[25]杨燕.探寻作为公共空间的微博背后的美学意义[D].西北大学,美学,2013,硕士.
[26]高峻嘉.基于Android手机平台移动定位原型系统设计与应用[D].电子科技大学,地图制图学与地理信息工程,2012,硕士.
[27]柯移顺.汉语副词连用、并用研究述评[J].三峡论坛(三峡文学.理论版),2014,03:98-101.
[28]何艳.上海市综合高中的发展研究[D].华东师范大学,职业技术教育学,2002,硕士.
[29]谢利.金与SiO_2纳米通道的制备及其在手性分离中的应用[D].上海师范大学,2014.
[30]任少博.水热变化对冻土路基变形稳定性的影响研究[D].长安大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[31]郑源遥.关于机房静电问题[J].石油地球物理勘探,1978,03:64-66+41.
[32]汪伟.“晒X”构式的“自主依存~+”研究[D].四川外国语大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[33]王宏伟.曲线回转外形筒体零件无飞边辊挤成形研究[D].中北大学,材料加工工程,2014,硕士.
[34]王冰洁.基于AOP的电子口岸系统的设计与实现[D].复旦大学,软件工程,2012,硕士.
[35]王峰.基于STEP/PDM模式的产品配置管理技术[D].浙江工业大学,机械电子工程,2004,硕士.
[36]柯明月.金刚石颗粒表面镀覆铬包覆层的研究[D].广东工业大学,材料加工工程,2013,硕士.
[37]肖贯京.基于可拓理论的西安地铁2号线交通服务水平评价研究[D].西安建筑科技大学,工程经济与管理,2013,硕士.
[38]危小禁.强制性环境侵权责任保险制度研究[D].海南大学,民商法学,2014,硕士.
[39]翁邓胡.基于CT图像的三维电子线放射治疗计划系统的研究与实现[D].南方医科大学,生物医学工程,2012,硕士.
[40]宋海蓉.四川制药医药公司医药连锁物流管理系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[41]马照松.卫星热红外准实时数据处理综合技术与异常提取模型研究及其应用[D].中国地震局地质研究所,2005.
[42]燕绍九杨程洪起虎陈军洲刘大博戴圣龙.石墨烯增强铝基纳米复合材料的研究[N].中国航空报,2014-05-08003.
[43]郑淼.具有刺激响应和自修复性能的层层组装聚合物膜[D].吉林大学,高分子化学与物理,2013,硕士.
[44]李海锋,张璞,王钢,朱革兰,赵曼勇,周红阳,余江.直流馈入下的工频变化量方向纵联保护动作特性分析(一)直流系统等值工频变化量阻抗模型[J].电力系统自动化,2009,09:41-46.
[45]王庆锁,董学军,陈旭东,杨宝珍.油蒿群落不同演替阶段某些群落特征的研究[J].植物生态学报,1997,06:44-51.
[46]周志利.厚煤层大断面巷道围岩稳定与掘锚一体化研究[D].中国矿业大学（北京）,2011.
[47]王焱.基于三层C/S结构的系统开发与研究[D].西南石油学院,2003.
[48]王保勋.多种临床病理因素与胰腺癌神经浸润关系的探讨[D].复旦大学,外科学,2012,硕士.
[49]李宝玺.基于机器视觉的运动控制技术研究[D].河南科技大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[50]沈琪雯.有限元逆矩阵形函数构造方法及其编程[D].重庆大学,土木工程,2014,硕士.