通过生物膜蛋白质重塑和富集地杆菌（Geobacter），富里酸（Fulvic Acid）和铁（Iron）促进细胞外电子转移以及硝酸盐（Nitrate）还原为铵（Ammonium）的过程

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhancement of Extracellular Electron Transfer and Nitrate Reduction to Ammonium by Fulvic Acid and Iron through Biofilm Protein Remodeling and Geobacter Enrichment

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  优越的α-螺旋/β-折叠结构使得EPS蛋白更加紧凑
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  通过调节富里酸-铁的含量，Geobacter的丰度可高达90%
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  mcp的富集主要由Geobacter促进
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  富里酸-铁能协同提高氨的转化率20%

引言

电子转移在物质转化中起着关键作用，是细菌为生长和发育储存能量的必要过程[1]。电活性微生物（EAMs）是一类能够将细胞内代谢产生的电子传递到外部电子受体（如金属矿物、电极或氧化污染物）的微生物[2]。这种独特的能力使细菌能够与直接接触的氧化还原反应或可溶性电子载体进行远程能量交换[3]。微生物驱动的细胞外电子转移（EET）机制为生物地球化学循环的理解带来了新的视角[4]。在受污染的环境中（例如富含硝酸盐的地下水、废水或沉积物中），能够进行细胞外电子转移的微生物在减少有害物质方面发挥着重要作用，从而缓解生态风险。然而，由于环境介质中物质传递的扩散限制，EAMs介导的EET效率相对较低，这限制了它们的实际应用[5]。 作为一类广泛分布在陆地和水生环境（特别是在土壤和沉积物中）的天然有机化合物，腐殖质（HS）含有醌类和酚羟基等氧化还原活性基团。这些特征性基团赋予了腐殖质电子穿梭的能力，通过可逆的氧化还原循环介导EET过程[5]。在厌氧条件下，腐殖质可以双向传递电子：既能从微生物代谢中接受电子，也能向固体矿物转移电子[6]。微生物通过细胞色素复合物或导电菌毛将电子传递给腐殖质中的醌类化合物，使其还原为氢醌。还原后的氢醌随后参与非生物氧化还原反应，向Fe(III)矿物捐赠电子，并同时重新氧化为醌形式，从而形成封闭的电子转移循环[6],[7],[8]。研究表明，腐殖酸（HA）介导的铁还原细菌与Fe(III)之间的电子转移速率比直接传递给HA或Fe(III)高出七倍以上[9]。 在缺氧环境中，厌氧微生物呼吸通常以铁（氧氢）氧化物作为最终电子受体[10]。研究表明，腐殖质和铁可以协同加速电子转移。例如，使用腐殖酸构建的生物电容器结合赤铁矿调节的AQDS氧化还原电位，可以减轻电子竞争并促进甲烷的产生[11]。此外，Geobacter metallireducens利用腐殖酸作为电子介质，使针铁矿的还原速率提高了三倍[12]。值得注意的是，腐殖酸介导的铁还原不仅促进了电活性生物膜的形成，还提高了EET效率。这一过程中产生的电信号对于混合培养中EAB的发展和EET优化至关重要[13]。此外，先前的研究还表明，生物膜的厚度和存活率也受腐殖质特性的影响[13]。尽管这些研究揭示了腐殖质和铁在纯培养系统中的作用，但自然环境中的微生物群落是以混合菌群的形式存在的，这使得它们的电子转移机制更为复杂，需要进一步研究[13]。 本研究旨在探讨腐殖酸和Fe(III)如何在混合培养的EABs中共同影响EET。硝酸盐被用作模型电子受体和有害污染物，而非主要目标，而是为了简单验证EET是否真的得到了改善。选择腐殖酸是因为它含有已知的醌基团，可以在氧化态和还原态之间循环。为了实现这一目标，我们采用多种技术，包括电化学测定法测量反应速率、光谱分析研究蛋白质和氧化还原活性基团、显微成像观察生物膜形态和覆盖率，以及宏基因组分析揭示微生物群落响应。通过整合这些互补的数据集，我们不仅想确认协同效应的存在，还想阐明腐殖酸和Fe(III)共同增强电子转移的机制基础[14]。

章节摘要

反应器启动和操作

使用了一个定制的三电极系统，包括单室玻璃反应器（工作体积100毫升），与多通道电位计（CHI1000C，CH Instruments，中国）相连。工作电位维持在0伏特（相对于Ag/AgCl参比电极，填充液为4 M KCl），工作电极为石墨电极，对电极为铂片[14]。作为工作电极的石墨棒直径为10毫米，有效面积为13.35平方厘米。在组装之前...

电化学性能

为了评估铁和富里酸对微生物电活性的影响，在EABs形成过程中实时监测电流生成情况（图1a）。在第一个操作周期后，仅含铁的样品中峰值电流密度最高，达到2.9±0.19安培/平方米。FA和FA+Fe的电流密度均低于对照组（NONE，2.7±0.28安培/平方米）。在后续的操作周期中，FA+Fe显示出显著的电流放大效应...

结论

本研究表明，外源电子穿梭剂腐殖酸在铁的辅助下显著提高了EET效率，并在EABs中高度选择性地富集了Geobacter物种（超过90%）。在混合培养系统中，FA+Fe EAB的电流密度是对照组的1.3倍，细胞外蛋白含量增加了3.4倍。EPS结构和组成分析显示，FA+Fe组的生物膜结构更加...

CRediT作者贡献声明

周磊：撰写——审稿与编辑，资金申请，概念构思。 李凤林：撰写——初稿，实验研究。 童素琪：实验研究。 朱杭伟：方法学研究。 王树：资金申请，概念构思。 王金婷：撰写——审稿与编辑。

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52300191）、国家重点研发计划（编号2022YFE0105600）以及中国电力工程西北有限公司重点科技项目（编号XBY-KJ-2024-59）的财务支持。

作者声明没有利益冲突。

李凤林 | 周磊 | 朱杭伟 | 童素琪 | 王金婷 | 王树