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食电微生物是如何利用电子来还原二氧化碳的?(附原文)

已有 1379 次阅读 2019-3-24 09:49 |个人分类:新科技|系统分类:海外观察| CO2, 华盛顿大学, 沼泽红假单胞菌

食电微生物是如何利用电子来还原二氧化碳的?(附原文)

诸平

据美国华盛顿大学(Washington University)2019年3月22日报道,该大学的一个研究小组展示了一种名为沼泽红假单胞菌Rhodopseudomonas palustris的光养微生物如何从金属氧化物或铁锈等导电物质中吸收电子来还原CO2。位于美国圣路易斯的华盛顿大学的一项新研究解释了这样一种细胞过程,即使喜爱阳光的微生物能够“吃掉”电子,从而再将电子转移来固定CO2,为其生长提供燃料。

在华盛顿大学文理学院的生物学助理教授Arpita Bose和她实验室的博士生Michael Guzman的带领下,华盛顿大学的一个研究小组展示了一种天然产生的沼泽红假单胞菌Rhodopseudomonas palustris是如何从金属氧化物或铁锈等导电物质中吸收电子的。这项研究发表在3月22日的《自然通讯》杂志上——Michael S. Guzman, Karthikeyan Rengasamy, Michael M. Binkley, Clive Jones, Tahina Onina Ranaivoarisoa, Rajesh Singh, David A. Fike, J. Mark Meacham & Arpita Bose. Phototrophic extracellular electron uptake is linked to carbon dioxide fixation in the bacterium Rhodopseudomonas palustris. Nature Communications, 2019, Volume 10, Article number: 1355. (Published:22 March 2019).

s41467-019-09377-6.pdf 

相关视频https://youtu.be/z5cyX0MUAiU  

这项研究建立在Arpita Bose之前发现的基础上,即R. palustris TIE-1可以消耗来自锈体代理如平衡电极(poised electrodes)等的电子,这个过程被称为细胞外电子摄取。R. palustris 是光养性的,这意味着它利用光的能量进行某些代谢过程。这项新研究解释了这种微生物将其从电中摄取的电子转移倾倒在细胞的凹陷处。
研究微生物代谢及其对生物地球化学循环影响的Arpita Bose说:“这第一次清楚地表明,这种活动——生物体吃电的能力——与CO2固定有关。”这种知识可以帮助利用微生物的自然能力进行可持续能源储存或其他生物能源应用——这一潜力已经引起了美国能源部和国防部的注意。
Arpita Bose说:“在野生和异国他乡都能找到R. palustris这种微生物菌株,比如马萨诸塞州伍兹·霍尔
(Woods Hole, Massachusetts)的一座锈迹斑斑的桥上就可以找到,TIE-1就是从这座桥上分离出来的。”“真的,你到处都能找到这些生物。这表明细胞外电子吸收可能非常普遍。”
Michael S. Guzman补充说:“主要的挑战为它是一种厌氧菌,所以你需要在没有氧气的环境中生长,这样它才能获得光能。但另一方面,这些挑战在这种生物体中得到了许多其他生物体所没有的多功能性的满足。”
研究人员在他们的新论文中表述,来自电的电子进入膜中的蛋白质,这对光合作用很重要。令人惊讶的是,当他们删除了这种微生物固定CO2的能力后,他们发现这种微生物消耗电能的能力下降了90%。

Arpita Bose说:“它真的想用这个系统来固定CO2,如果你把它拿走——这种与生俱来的能力——它根本就不想占据电子了。”她说,这种反应在某些方面类似于可充电电池。“这种微生物利用电力为其氧化还原池充电,储存电子,使其高度还原。”“为了释放它,细胞还原了CO2。所有这些的能量都来自阳光。整个过程不断重复,让细胞只用电、CO2和阳光就能制造出生物分子。”

一个全华盛顿大学的团队克服了许多技术障碍完成了这项研究。来自麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)的马克·米查姆(Mark Meacham)帮助设计和制造了微流体设备,使研究人员能够专注于当此菌从电源获取电子时细胞内产生的活动。该团队还依赖于包括地球和行星科学系的大卫·菲克(David Fike)在内的合作者的支持,他们帮助Arpita BoseMichael S. Guzman使用次级离子质谱来确定微生物如何利用CO2
这项新研究回答了基础科学问题,并为未来的生物能源应用提供了大量的机会。
Michael S. Guzman说:“很长一段时间以来,人们已经知道微生物可以与环境中类似电极的物质相互作用,也就是带电的矿物质。”“但是没有人真正理解光自养生物是如何完成这一过程的,比如这些能够固定自身碳并利用光产生能量的生物。”这项研究填补了该领域一个人们知之甚少的空白。”
Arpita Bose的实验室正致力于利用这些微生物制造生物塑料和生物燃料。Arpita Bose说:“我们希望,将电力和照明结合起来减少CO2排放的能力,可能有助于为能源危机找到可持续的解决方案。”更多信息请注意浏览相关报道或者原文

 A shocking diet: Researchers describe microbe that 'eats' electricity

Study shows how electricity-eating microbes use electrons to fix carbon dioxide

Abstract

Extracellular electron uptake (EEU) is the ability of microbes to take up electrons from solid-phase conductive substances such as metal oxides. EEU is performed by prevalent phototrophic bacterial genera, but the electron transfer pathways and the physiological electron sinks are poorly understood. Here we show that electrons enter the photosynthetic electron transport chain during EEU in the phototrophic bacterium Rhodopseudomonas palustris TIE-1. Cathodic electron flow is also correlated with a highly reducing intracellular redox environment. We show that reducing equivalents are used for carbon dioxide (CO2) fixation, which is the primary electron sink. Deletion of the genes encoding ruBisCO (the CO2-fixing enzyme of the Calvin-Benson-Bassham cycle) leads to a 90% reduction in EEU. This work shows that phototrophs can directly use solid-phase conductive substances for electron transfer, energy transduction, and CO2 fixation.



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