界面浸润性:“不容忽视”的可调控微生物胞外电子传递的重要性质
2015-06-16
化学与环境学院刘欢副教授研究团队最近研究揭示了表面浸润性可以控制微生物胞外电流传递行为。在恒定外电位下,电极表面的浸润性极大影响着微生物Shewanella loihica PV-4的胞外电子传递行为:亲水电极上的电流传递效率比疏水电极可高达5倍之多。研究表明:电极的浸润性可以改变微生物胞外电活性蛋白质—细胞色素C的氧化还原状态,从而控制微生物胞外电子传递行为。该发现不仅对于理解微生物/电极间的复杂界面具有重要的意义,而且对于设计相关的生物电器件提供了新的启发。
胞外电子传递过程,是发生在细菌与外界的固体电子受体(比如金属氧化物、电极等)之间的典型的界面电荷传递过程,是自然界中广泛存在的现象,在生物修复,矿物的地球化学循环等领域发挥着举足重轻的作用,此外,在微生物燃料电池等能量转换装置中发挥着重要的作用。
菌属Shewanella是自然界中具有EET活性的典型微生物,它的细胞外膜上存在着大量具有氧化还原活性的蛋白—含多铁血红素的细胞色素C。细胞色素C可以将微生物体内新陈代谢产生的电子越过不导电磷脂双分子层的障碍,传递给外界的电子受体。因此,细胞色素C的氧化还原状态直接与微生物胞外电荷传递效率相关。目前,最有效的办法是通过改变电极电位来调控细胞色素C的氧化还原状态。然而,在恒定电位下,利用非电化学的手段来调控细胞色素C的电化学行为,很大程度仍保留未知。另一方面,对于活体微生物而言,各种物理化学环境远远比提纯的蛋白更复杂也更动态(比如连续的电子流的注入等),如何研究微区界面环境,比如微区极性,对微生物胞外电荷传递行为的影响和作用机制一直未被揭示。
最近,我校化学与环境学院仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室刘欢副教授科研团队在利用微区界面浸润性调控活体微生物的胞外电荷传递行为方面取得重要进展,该研究成果发表在化学领域顶尖杂志《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 1446–1451)。研究人员发现电极表面的浸润性极大地影响着微生物Shewanella loihica PV-4的胞外电荷传递行为:细菌在亲水电极上的电荷传递效率比疏水电极上高出5倍之多。经过一系列的电化学实验,研究人员发现,电极表面的浸润性影响了细菌/电极界面微区的极性,进而影响了电极与细菌之间的电子相互作用。当外加电压为-0.2V时,对于亲水电极,细菌与电极之间的相互作用更为强烈,因此,细胞色素C更多地处于还原态,更有利于通过疏水力与核黄素结合,以一电子的方式进行电荷传递,从而表现出更快的电子传递行为和更大的电子传递效率。反之,在疏水电极上,细菌与电极之间的相互作用大大减弱,因此,细胞色素C更多地处于氧化态,不利于与核黄素结合,因而以两电子的方式进行电荷传递,从而导致电荷传递效率极大减弱。
此项研究不仅加深了人们对细菌/电极的界面之间的相互作用的认识,而且为设计制备高效生物电装置提供了全新的启示。


刘欢,化学与环境学院,副教授,卓越百人,E-mail: liuh@buaa.edu.cn
参考文献
[1] Chun-mei Ding, Mei-ling Lv, Ying Zhu,* Lei Jiang, Huan Liu*, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 1446–1451.