D01:10.13374j.isml00103x2006.11.002 第28卷第11期 北京科技大学学报 Vol.28 No.11 2006年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2006 利用微生物电池研究微生物在矿物 表面电子传递过程 冯雅丽)李浩然2》 连静”周良2》 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100080 摘要利用微生物电池对微生物在矿物表面电子传递的过程进行了实验研究.结果表明： Geobacter metallireducens还原Fe(OH)3过程中直接接触方式起着重要作用，而微生物在矿物表面 吸附形成的生物膜是一个关键因素.生物膜的形成又是一个相对较长的过程：细胞在固体表面的 吸附并成膜是一种重要的代谢途径而电子传递中间体AQDS虽然能在初期有效加快还原速率， 但是当细胞吸附完成后.其作用就不再显著了，说明微生物催化矿物氧化还原反应动力学受生物 膜控制.加速微生物在物表面成膜及保持其稳定性是影响微生物浸矿速率的重要因素， 关键词矿物表面：微生物：电子传递：生物膜：电子传递中间体：微生物电池 分类号TD9255:TD981TD982 微生物催化MnOz-FeS2H2S04体系的好氧 的沉积物中分离（大洋样品库提供），经多代培养 和厌氧浸出实验表明，厌氧浸出速率明显高于好 驯化.培养基成分如下(1L):KCI0.1g,NH4Cl 氧浸出山，同时，镜检发现厌氧条件下吸附在氧 0.2gNaH2P0406 g,NaHC032.5 g,Wolfe微量 化锰矿物表面的微生物多于好氧条件下的微生 维生素混合液I0mL,Wolfe微量矿物元素混合液 物？.微生物在浸矿过程中如何将电子传递给固 10mL,电子供体NaAc(醋酸钠)10mmol调 体氧化物的问题，一直是国内外学者研究的热点. pH6.8~7.0.利用NC02(8020,体积比)除去 在进行大洋多金属矿生物还原的研究中，设计了 灭菌前培养基中的氧气后，分装入厌养培养管中， 一套微生物燃料电池体系到，利用生物燃料电池 121C灭菌15min,在厌养培养箱进行必要的转接 模拟细胞表面电化学过程来研究微生物在矿物表 等操作，整个过程严格厌养培养.电子受体 面传递电子的过程 Fe(OH)3100mmol灭菌后加入，其他可选的最终 微生物电池体系不仅能克服Fe(OH)3还原 电子受体富马酸钠，Fe的螯合物Fe一NTA(氨三 培养体系中的二次成矿等原因带来的干扰因素， 乙酸)须过滤灭菌后加入.培养温度为30℃. 而且氧化还原速率可以直接通过外电路电流记 微生物电池的构建：如图1所示，由阴极、阳 录，能准确、迅速地反应出微生物将电子传递给固 极两个电极室构成，通过质子交换膜(Nafion一 态的电子受体的过程.微生物电池能更详实地研 117,Dupont)连接，每个电极室装入溶液体积 究直接接触方式和通过电子传递中间体方式对胞 250mL.电极均为不抛光的高纯石墨电极.物理 外电子传递的影响) 表面积75cm2,使用前用1 mol HCI浸泡去处杂质 离子，使用完后再用1.0molL1的NaOH浸泡 1 实验材料与方法 以除去其表面吸附的细胞.阳极接种细菌，接种 前通NC02(8020.体积比)混合气除尽装入的 微生物：Gebacter metal lireducens,由中国 “大洋一号”考察船DY10513航次在太平洋取得 培养基的氧气，接种后密封或者缓慢通混合气. 阴极持续通空气，保持其内溶解氧的浓度.两极 收稿日期：2005-07-28修回日期.200603-16 室均缓慢搅拌， 基金项目：国家自然科学基金资助项目(Na20476009No. Fe2+及Fe+浓度的测定：Ferrozine法；电池 20576137):国家长远发展专项资助项目(NaDY105040一 阳极内细胞浓度测定：考马斯亮兰法(Bradford 08)片国家“973”计划资助项目(No.2003CB716001) 作者简介：冯雅丽(1967一)，女，副教授 法)测细胞破碎后对应蛋白质浓度：电流采集：瑞 (C1994-2019 China Academie Jouma Eer Pu搏张焦音的29IH型数据采集器，l.,3识通ki.net利用微生物电池研究微生物在矿物 表面电子传递过程 冯雅丽 1) 李浩然 2) 连 静 1) 周 良 2) 1)北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2)中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室, 北京 100080 摘 要 利用微生物电池对微生物在矿物表面电子传递的过程进行了实验研究.结果表明: Geobacter metallireducens 还原 Fe(OH)3 过程中直接接触方式起着重要作用, 而微生物在矿物表面 吸附形成的生物膜是一个关键因素, 生物膜的形成又是一个相对较长的过程;细胞在固体表面的 吸附并成膜是一种重要的代谢途径, 而电子传递中间体 AQDS 虽然能在初期有效加快还原速率, 但是当细胞吸附完成后, 其作用就不再显著了, 说明微生物催化矿物氧化还原反应动力学受生物 膜控制.加速微生物在矿物表面成膜及保持其稳定性是影响微生物浸矿速率的重要因素. 关键词 矿物表面;微生物;电子传递;生物膜;电子传递中间体;微生物电池 分类号 TD925.5 ;TD98.1;TD98.2 收稿日期:2005 07 28 修回日期:2006 03 16 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.20476009 , No . 20576137);国家长远发展专项资助项目(No.DY105-04-01- 08);国家“ 973”计划资助项目(No .2003CB716001) 作者简介:冯雅丽(1967—), 女, 副教授 微生物催化 M nO2-FeS2-H2SO4 体系的好氧 和厌氧浸出实验表明 , 厌氧浸出速率明显高于好 氧浸出[ 1] , 同时, 镜检发现厌氧条件下吸附在氧 化锰矿物表面的微生物多于好氧条件下的微生 物[ 2] .微生物在浸矿过程中如何将电子传递给固 体氧化物的问题 ,一直是国内外学者研究的热点. 在进行大洋多金属矿生物还原的研究中 ,设计了 一套微生物燃料电池体系[ 3] , 利用生物燃料电池 模拟细胞表面电化学过程来研究微生物在矿物表 面传递电子的过程[ 4] . 微生物电池体系不仅能克服 Fe(OH)3 还原 培养体系中的二次成矿等原因带来的干扰因素, 而且氧化还原速率可以直接通过外电路电流记 录,能准确 、迅速地反应出微生物将电子传递给固 态的电子受体的过程 .微生物电池能更详实地研 究直接接触方式和通过电子传递中间体方式对胞 外电子传递的影响[ 5] . 1 实验材料与方法 微生物:Geobacter metallireducens , 由中国 “大洋一号”考察船 DY105-13 航次在太平洋取得 的沉积物中分离(大洋样品库提供), 经多代培养 驯化.培养基成分如下(1 L):KCl 0.1 g , NH4Cl 0.2 g ,NaH2PO4 0.6 g ,NaHCO3 2.5 g , Wolfe 微量 维生素混合液 10 mL ,Wolfe 微量矿物元素混合液 10 mL , 电子供体 NaAc(醋酸 钠)10 mmol, 调 pH 6.8 ～ 7.0 .利用N2-CO2(80∶20 ,体积比)除去 灭菌前培养基中的氧气后 ,分装入厌养培养管中, 121 ℃灭菌15 min ,在厌养培养箱进行必要的转接 等操作 , 整个 过程严格厌 养培养 .电子受体 Fe(OH)3 100 mmol 灭菌后加入, 其他可选的最终 电子受体富马酸钠 、Fe 的螯合物 Fe-NTA(氨三 乙酸)须过滤灭菌后加入 .培养温度为 30 ℃. 微生物电池的构建:如图 1 所示, 由阴极、阳 极两个电极室构成 , 通过质子交换膜(Nafion - 117 , Dupont)连接 , 每个电极室装入溶液体积 250 mL .电极均为不抛光的高纯石墨电极.物理 表面积 75 cm 2 ,使用前用 1mol HCl 浸泡去处杂质 离子,使用完后再用 1.0 mol·L -1的 NaOH 浸泡 以除去其表面吸附的细胞.阳极接种细菌 ,接种 前通 N2-CO2(80∶20 , 体积比)混合气除尽装入的 培养基的氧气, 接种后密封或者缓慢通混合气. 阴极持续通空气 , 保持其内溶解氧的浓度.两极 室均缓慢搅拌 . Fe 2 +及 Fe 3+浓度的测定:Ferrozine 法;电池 阳极内细胞浓度测定:考马斯亮兰法(Bradford 法)测细胞破碎后对应蛋白质浓度 ;电流采集:瑞 博华生产的 8201H 型数据采集器 , 16 位 , 32 通 第 28 卷 第 11 期 2006 年 11 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.28 No.11 Nov.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.11.002