阴极电活性微生物吸收电子性能的强化策略研究

论文摘要

微生物电合成技术（Microbial electrosynthesis,简称MES）是指微生物通过摄取胞外固体电极的电子,还原CO2或其他氧化态物质,生成胞外有机物或还原态无机物的一种技术,因其具有不占用耕地、能源形式清洁等优点,在合成化学制品、温室气体减排、和农业环境修复等领域具有广泛的应用前景。MES中起关键作用的微生物被称为阴极电活性微生物（Cathodic electroactive microorganisms,简称CEAM）。目前,CEAM电合成的效率仍然低下,限制了其扩大化与商业化应用。CEAM与胞外固态载体电子交换时会形成电活性生物膜（Electroactive biofilms,简称EAB）,通常阴极EAB的形成难度比阳极EAB大,耗时比阳极EAB长,也是MES技术难以走向实际应用的一个关键技术难点。然而,目前提高MES性能的研究主要集中在阴极材料的改造、MES的构型设计和阴极微生物的选取等方面,鲜有对CEAM个体或对阴极EAB的成膜过程进行改造的研究。基于此,本论文以MES中的CEAM为出发点,综合运用电化学及分子生物学手段,分别研究1)青霉素是否能通过提高革兰氏阳性菌的细胞通透性来促进Moorella thermoautotrophica的电子吸收性能和有机酸合成效率;2)鼠李糖脂是否能通过提高革兰氏阴性菌的细胞通透性来促进Sporomusa ovata的乙酸合成效率;以及3)酰基高丝氨酸内脂类信号分子（Acyl-homoserine lactones,简称AHL）是否可以加速Geobacter soli GSS01阴极EAB的启动。论文主要结果如下:（1）当添加≤30 mg/L青霉素时,革兰氏阳性菌M.thermoautotrophica的细胞通透性是未添加青霉素对照组的2倍,每单位生物量的电子吸收能力是对照组的1.84倍,每单位生物量生产甲酸和乙酸的速度分别是对照组的1.96和2.23倍,库仑效率从73%±3%增加到88%±3%,表明提高细胞通透性可增强MES中革兰氏阳性EAM的性能。提高细胞通透性会增加外膜细胞色素的氧化还原活性和电子穿梭体的释放量,这两者的提高正是增加细胞通透性能增强MES中革兰氏阳性CEAM的电子吸收和有机酸合成速率的主要原因。（2）当添加50 mg/L鼠李糖脂时,革兰氏阴性菌S.ovata的细胞通透性增加,每单位生物量电子吸收能力是未添加鼠李糖脂的实验组的2.6倍,每单位生物量乙酸盐产量是对照的2.83倍。电化学原位红外数据表明,添加鼠李糖脂后,S.ovata与电子传递有关的蛋白氧化还原活性增强,有利于胞外电子的吸收,从而提高其电合成性能。（3）AHL可促进G.soli阴极EAB的启动。添加AHL后,G.soli可直接在阴极快速启动,启动时间缩短为不添加AHL对照组的50%。成膜后,添加AHL的实验组电子吸收性能增强,硝酸盐还原率为对照组的2倍以上。究其原因,添加AHL的实验组中EAB的生物量及细胞活性有所提高,EAB的胞外聚合物中的蛋白质和多糖含量增加,最外层蛋白质的氧化还原活性增强,因此EAB的性能得以促进。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 微生物电合成系统
•   1.3 阴极电活性微生物
•     1.3.1 定义
•     1.3.2 摄取电子机制
•   1.4 提高微生物电合成系统性能的研究现状
•   1.5 促进阳极电活性微生物性能的方法
•     1.5.1 投加化学试剂
•     1.5.2 施加物理作用
•     1.5.3 生物基因改造
•   1.6 研究意义、目的及内容
•     1.6.1 研究意义和目的
•     1.6.2 研究内容与技术路线
• 第二章 青霉素促进Moorella thermoautotrophica电合成的研究
•   2.1 引言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 菌种与培养基
•     2.2.2 MES反应体系设计
•     2.2.3 微生物分析
•     2.2.4 电化学表征
•     2.2.5 化学物质检测和计算
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 添加青霉素提高细胞通透性
•     2.3.2 添加青霉素增强MES的电子吸收和电活性
•     2.3.3 细胞通透性影响电子吸收的机制分析
•     2.3.4 添加青霉素促进甲酸盐和乙酸盐的电合成产率
•   2.4 本章小结
• 第三章 鼠李糖脂促进Sporomusa ovata电合成产酸的研究
•   3.1 引言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 菌种和培养基
•     3.2.2 MES反应体系设计
•     3.2.3 微生物分析
•     3.2.4 电化学表征
•     3.2.5 化学物质检测和计算
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 添加鼠李糖脂对S.ovata细胞通透性的影响
•     3.3.2 添加鼠李糖脂对MES性能的影响
•     3.3.3 鼠李糖脂添加促进MES性能的机制分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 化学信号分子加速Geobacter soli阴极生物膜启动的研究
•   4.1 引言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 菌种和培养基
•     4.2.2 MES反应体系设计
•     4.2.3 生物膜EPS的表征
•     4.2.4 生物膜活性分析
•     4.2.5 硝酸盐还原产物测定及分析
•     4.2.6 电化学表征
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 添加AHL提高EAB启动性能
•     4.3.2 添加AHL改善EPS和外膜蛋白的氧化还原活性
•     4.3.3 添加AHL提高阴极EAB电化学活性
•   4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 创新之处
•   5.3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 方彦伦

导师: 陈姗姗

关键词: 微生物电合成,青霉素,鼠李糖脂,信号分子

来源: 福建农林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 福建农林大学

分类号: Q935

总页数: 66

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