Shewanella oneidensis-based artificial conductive micro-niche for hydrogen augmentation

基于Shewanella oneidensis的人工導(dǎo)電微環(huán)境用于氫氣增產(chǎn)

來(lái)源：Chemical Engineering Journal

《化學(xué)工程雜志》

摘要內(nèi)容：

該研究開(kāi)發(fā)了一種將Shewanella oneidensis（S. oneidensis）與石墨烯、聚多巴胺（PDA）和海藻酸鈣整合的人工導(dǎo)電微環(huán)境（微生態(tài)位），用于增強(qiáng)氫氣（H?）生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，微環(huán)境內(nèi)的呼吸代謝誘導(dǎo)局部缺氧條件，同時(shí)導(dǎo)電材料（如石墨烯）促進(jìn)了細(xì)胞間電子轉(zhuǎn)移，將胞外電子逆向傳遞至周質(zhì)氫酶，使產(chǎn)氫速率比游離S. oneidensis提高12.7倍。此外，該微環(huán)境生物相容性良好，可持續(xù)產(chǎn)氫30天。

研究目的：

開(kāi)發(fā)一種基于微生物-非生物材料復(fù)合的人工微生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)控缺氧環(huán)境和電子傳遞路徑，顯著提升S. oneidensis的產(chǎn)氫效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

研究思路：

構(gòu)建微環(huán)境：通過(guò)Pickering乳液法將S. oneidensis封裝在海藻酸鈣/石墨烯基質(zhì)中，形成高密度細(xì)胞聚集的微生態(tài)位。

調(diào)控缺氧環(huán)境：利用細(xì)菌呼吸代謝消耗內(nèi)部氧氣，激活氫酶活性。

增強(qiáng)電子傳遞：引入導(dǎo)電材料（石墨烯、PDA）優(yōu)化細(xì)胞間電子轉(zhuǎn)移路徑，促進(jìn)胞外電子逆向傳遞至氫酶。

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：

氧氣濃度分布（圖2h）：使用丹麥Unisense微電極測(cè)量微生態(tài)位內(nèi)部的氧氣濃度，發(fā)現(xiàn)25μm深度處氧氣濃度趨近于零，表明內(nèi)部形成缺氧環(huán)境，激活了氫酶活性。

研究意義：缺氧環(huán)境是氫酶催化產(chǎn)氫的關(guān)鍵前提，此數(shù)據(jù)直接驗(yàn)證了微環(huán)境設(shè)計(jì)的有效性。

氧化還原電位（圖2i）：微生態(tài)位的氧化還原電位隨深度增加從+337 mV降至-445 mV（vs. SHE），顯著低于游離細(xì)菌（-151 mV）。

研究意義：低氧化還原電位表明微環(huán)境具有更強(qiáng)的還原能力，有利于產(chǎn)氫反應(yīng)。

電化學(xué)阻抗譜（圖3h）：導(dǎo)電微生態(tài)位（如MR-1/G）的電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct=65.33Ω）比普通微生態(tài)位（Rct=117.8Ω）降低44.5%。

研究意義：導(dǎo)電材料的引入顯著提升了電子傳遞效率，為電子逆向傳遞至氫酶提供支持。

產(chǎn)氫性能（圖3b、5f）：導(dǎo)電微生態(tài)位（MR-1@PDA/G）的產(chǎn)氫速率達(dá)0.37 μmol/day，是游離細(xì)菌的12.7倍，且可持續(xù)30天。

研究意義：證明了導(dǎo)電微環(huán)境在提升產(chǎn)氫效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論：

微生態(tài)位的構(gòu)建通過(guò)呼吸代謝誘導(dǎo)缺氧環(huán)境，激活氫酶活性，并通過(guò)高密度細(xì)胞聚集促進(jìn)胞間電子傳遞。

石墨烯和PDA的引入優(yōu)化了電子轉(zhuǎn)移路徑，實(shí)現(xiàn)了胞外電子逆向傳遞至周質(zhì)氫酶，顯著提升產(chǎn)氫速率。

該微環(huán)境生物相容性優(yōu)異，支持S. oneidensis持續(xù)產(chǎn)氫30天，為微生物-非生物雜化系統(tǒng)在綠色生物制造中的應(yīng)用提供了新策略。

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀：

通過(guò)Unisense微電極測(cè)得的氧氣濃度數(shù)據(jù)（圖2h）顯示，微生態(tài)位內(nèi)部深度25μm處氧氣濃度趨近于零，表明呼吸代謝成功創(chuàng)造了缺氧環(huán)境。這一數(shù)據(jù)直接驗(yàn)證了微環(huán)境設(shè)計(jì)的核心機(jī)制——缺氧是氫酶催化產(chǎn)氫的必要條件。此外，氧化還原電位隨深度降低（圖2i）進(jìn)一步表明微環(huán)境內(nèi)部形成了強(qiáng)還原性微區(qū)，為產(chǎn)氫反應(yīng)提供了熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。這些數(shù)據(jù)不僅證實(shí)了理論假設(shè)，還為優(yōu)化微環(huán)境結(jié)構(gòu)（如細(xì)胞密度、材料導(dǎo)電性）提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。