阴沟肠杆菌SgZ-5T回收Pd纳米棒的胞外电子传递机制研究
发布时间：2020-05-12 01:04
【摘要】：电化学活性微生物可以把通过底物代谢所获得的电子,以直接或间接的方式传递给胞外电子受体,从而实现污染物降解和金属回收等目的。因此,研究其胞外电子传递机制对能源转换、环境修复和生物技术应用等方面具有重要意义。本论文首先分离出一株具有电化学活性的阴沟肠杆菌SgZ-5T,并发现它能特异性还原贵金属钯(Pd)。在此基础上利用电化学、谱学、代谢组和转录组学等技术研究了SgZ-5T还原Pd(Ⅱ)的作用机制,得到的结论如下:(1)SgZ-5T能还原Pd(Ⅱ)并产生Pd纳米棒,但还原其他金属离子如金、银等的能力则较弱。与还原Pd(Ⅱ)前比较:电化学微分脉冲伏安曲线图显示SgZ-5T与Pd(Ⅱ)作用后表现出不同的电化学行为,其两对氧化还原峰电位发生明显的偏移;SgZ-5T细胞表面变得光滑,其外膜蛋白的特征红外谱峰发生明显的变化,CO_2红外谱峰的消失意味着其代谢方式的改变;气相色谱、高效液相色谱及其质谱数据结果显示SgZ-5T不仅可以分泌出氢醌,还可以在Pd(Ⅱ)的诱导下调节自身的代谢途径分泌出核黄素。此外,在含Pd(Ⅱ)的溶液中未检测到氢醌,本文猜测可能是它吸附在Pd纳米棒表面。(2)经代谢组和转录组学分析,SgZ-5T与Pd(Ⅱ)作用前比较,YqjG基因编码的谷胱甘肽-氢醌还原合成酶的表达量未发生显著的变化,使得SgZ-5T还原Pd(Ⅱ)后的氢醌的丰度也未发生显著的变化。另一方面,6-磷酸葡萄糖酸、核酮糖-5-磷酸、核糖-5-磷酸、果糖-6-磷酸和核黄素的丰度显著增加,表示Pd诱导了核黄素合成酶的产生,使得ribE基因编码的核黄素合成酶表达量显著上调。这些显著的差异再次证实了SgZ-5T在Pd(Ⅱ)的诱导下调节其代谢方式来回收贵金属Pd。(3)紫外可见光谱数据表明,通过添加3.33μM氢醌、3.33μM核黄素和3.33μM氢醌与3.33μM核黄素,Pd(Ⅱ)还原率分别提高了5%、5.5%和30%,证明了在双介体氢醌与核黄素的协同作用下,SgZ-5T能明显提高对Pd(Ⅱ)的回收效率。综上所述,本文研究了阴沟肠杆菌SgZ-5T利用双介体进行胞外电子传递来回收贵金属Pd的作用机制,发展和完善了电化学活性微生物胞外电子传递机制,这对于理解微生物还原金属过程及其生物地球化学过程具有重要意义。
【图文】：
图 1-1 地杆菌属和希瓦氏菌属的胞外电子传递机制[15]Fig.1-1 The distinct extracellular electron transfer mechanisms operative inGeobacter spp. and Shewanella spp.[15]在微生物系统中，胞外电子传递是能量转移和转换的重要方面，尤其是在固相电子受体如不溶性金属氧化物或电极等表面。细胞之间需要直接接触或利用导电性附属物（纳米导线）进行电子传递。在厌氧呼吸过程中，，希瓦氏菌和硫还原地杆菌等利用细胞膜上氧化还原蛋白如细胞色素 c 将电子从胞内传递到胞外（如图 1-1 所示），这些细胞色素 c 可吸附在细胞外膜上并作为直接的电子穿梭通路将电子传递到胞外电子受体，如含Fe(III)以及含 Mn(III)，Mn(Ⅳ)矿物[16-18]，参与细胞表面的电子传递。以希瓦氏菌MR-1 为例，目前研究最多的 4 种 c-型细胞色素分别是 MtrA、MtrB、MtrC 和OmcA[19-21]，它们大多位于细胞周质或外膜上，其功能已经基本清楚。Beliaev 等人研究发现[22]，这些 c-型细胞色素，以及孔状外膜蛋白 MtrB 都直接参与希瓦氏菌MR-1胞外还原含 Fe(III)矿物的过程。Lower等人在研究中发现，MtrC和OmcA可以相互接触并识别胞外受体，在将电子直接传导给含 Fe(III)矿物，暴露在蛋白
图 1-2 外膜蛋白 MtrF 与 α-Fe2O3纳米粒子特异性结合[2Fig.1-2 MtrF binds specifically to α-Fe2O3nanoparticles[26究发现，地杆菌属进行直接电子传递主要依靠通过微实现的（如图 1-1）。2005 年，Reguera 等人首次发菌 DL-1 的菌毛具有导电性，并将这些在特定条件下形成的类似纤毛的具有纳米尺寸的管状物称为微生，Gorby 等人在 PNAS 发表的文献报道希瓦氏菌的菌ey 的研究成果显示硫还原地杆菌能产生类似金属导线导线[29]。这种蛋白微丝不需要细胞色素 c，也可以远微生物本身的数千倍。电子远距离传递是研究生物电发现，对生物地球化学、微生物生态学和新兴的生物几年上述认识正在逐渐发生改变。Strycharz 等人提出为硫还原地杆菌产生的胞内电子是通过鞭毛内的细胞传递的。值得关注的是，MtrC 和 OmcA 也与胞外结构
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X172;X703
本文编号：2659366
【图文】：
图 1-1 地杆菌属和希瓦氏菌属的胞外电子传递机制[15]Fig.1-1 The distinct extracellular electron transfer mechanisms operative inGeobacter spp. and Shewanella spp.[15]在微生物系统中，胞外电子传递是能量转移和转换的重要方面，尤其是在固相电子受体如不溶性金属氧化物或电极等表面。细胞之间需要直接接触或利用导电性附属物（纳米导线）进行电子传递。在厌氧呼吸过程中，，希瓦氏菌和硫还原地杆菌等利用细胞膜上氧化还原蛋白如细胞色素 c 将电子从胞内传递到胞外（如图 1-1 所示），这些细胞色素 c 可吸附在细胞外膜上并作为直接的电子穿梭通路将电子传递到胞外电子受体，如含Fe(III)以及含 Mn(III)，Mn(Ⅳ)矿物[16-18]，参与细胞表面的电子传递。以希瓦氏菌MR-1 为例，目前研究最多的 4 种 c-型细胞色素分别是 MtrA、MtrB、MtrC 和OmcA[19-21]，它们大多位于细胞周质或外膜上，其功能已经基本清楚。Beliaev 等人研究发现[22]，这些 c-型细胞色素，以及孔状外膜蛋白 MtrB 都直接参与希瓦氏菌MR-1胞外还原含 Fe(III)矿物的过程。Lower等人在研究中发现，MtrC和OmcA可以相互接触并识别胞外受体，在将电子直接传导给含 Fe(III)矿物，暴露在蛋白
图 1-2 外膜蛋白 MtrF 与 α-Fe2O3纳米粒子特异性结合[2Fig.1-2 MtrF binds specifically to α-Fe2O3nanoparticles[26究发现，地杆菌属进行直接电子传递主要依靠通过微实现的（如图 1-1）。2005 年，Reguera 等人首次发菌 DL-1 的菌毛具有导电性，并将这些在特定条件下形成的类似纤毛的具有纳米尺寸的管状物称为微生，Gorby 等人在 PNAS 发表的文献报道希瓦氏菌的菌ey 的研究成果显示硫还原地杆菌能产生类似金属导线导线[29]。这种蛋白微丝不需要细胞色素 c，也可以远微生物本身的数千倍。电子远距离传递是研究生物电发现，对生物地球化学、微生物生态学和新兴的生物几年上述认识正在逐渐发生改变。Strycharz 等人提出为硫还原地杆菌产生的胞内电子是通过鞭毛内的细胞传递的。值得关注的是，MtrC 和 OmcA 也与胞外结构
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X172;X703
【参考文献】
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1 范传勇;;贵金属二次资源的回收利用与展望[J];铜业工程;2014年03期
2 张凤霞;张志刚;燕菲;;贵金属回收技术综述[J];节能与环保;2010年10期
3 向磊;;我国贵金属回收产业发展综述[J];世界有色金属;2007年06期
4 胡洪波,梁洁,刘月英,傅锦坤;微生物吸附贵金属的研究与应用[J];微生物学通报;2002年03期
本文编号：2659366
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