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作者与发表信息

本研究由Ryuhei Nakamura、Fumiyoshi Kai、Akihiro Okamoto、Greg J. Newton和Kazuhito Hashimoto共同完成，他们分别来自东京大学应用化学系和ERATO/JST Hashimoto光能转换项目。研究发表于《Angewandte Chemie International Edition》期刊，发表日期为2009年。

学术背景

本研究的主要科学领域是微生物电化学，特别是微生物与矿物表面之间的电子传递过程。研究的背景是Shewanella属的细菌（一种异化金属还原细菌）能够识别铁(III)氧化物表面并启动细胞外电子传递（extracellular electron transfer, ET），这是其代谢过程中的一个关键步骤。这一过程不仅对铁的生物地球化学循环有重要影响，还在微生物燃料电池（microbial fuel cells）中具有潜在应用价值。研究的主要目标是揭示Shewanella loihica PV-4在铁(III)氧化物存在下自组装成导电网络的能力，并探讨半导体纳米矿物在促进长距离细胞外电子传递中的作用。

研究流程

研究共包括以下几个步骤：

1. 实验系统搭建：研究使用了一个单室三电极系统，以乳酸作为碳源和电子供体。工作电极为透明导电玻璃（ITO电极），表面积为1.8 cm²，放置在反应器底部。

2. 电流生成实验：将Shewanella loihica PV-4细胞注入反应器后，立即观察到电流生成，并在0.4–0.6 mA之间达到稳定值。实验表明，电流生成是由于细胞与电极之间的电连接，并通过外膜（outer-membrane, OM）c型十血红素细胞色素（c-type decaheme cytochromes, c-cyt）将电子注入ITO电极。

3. 铁(III)氧化物的影响：实验进一步研究了α-Fe₂O₃胶体对电流生成的影响。添加α-Fe₂O₃胶体后，电流最初下降至零，但在胶体完全沉淀在ITO表面后，电流恢复并显著增加，最高值出现在培养约15小时后。

4. 循环伏安法（CV）分析：通过全细胞循环伏安法验证了导电细菌网络的形成。实验表明，α-Fe₂O₃胶体的存在显著增强了氧化还原电流，证明了长距离电子传递通道的形成。

5. 光电流实验：研究还通过光照射实验进一步验证了α-Fe₂O₃的半导体性质在电子传递中的作用。光电流的生成表明，细胞在胶体之间起到了电连接的作用，并建立了长距离电子传递通道。

主要结果

1. 电流生成：实验表明，Shewanella loihica PV-4细胞能够通过c-cyt介导的电子传递在ITO电极上生成电流。电流生成主要依赖于直接附着在电极表面的细胞，而细胞之间的长距离电子传递效率较低。

2. α-Fe₂O₃的作用：添加α-Fe₂O₃胶体后，电流生成显著增加，最高值达到初始值的50倍。SEM图像显示，细胞和胶体形成了厚层，胶体覆盖在细胞表面并连接了细胞。

3. 循环伏安法结果：CV实验显示，α-Fe₂O₃胶体的存在使氧化还原电流增强了300倍以上，进一步证明了长距离电子传递通道的形成。

4. 光电流生成：光照射实验表明，α-Fe₂O₃的半导体性质在电子传递中起到了关键作用。光电流的生成证明了细胞在胶体之间建立了有效的电子传递通道。

结论

本研究提供了实验证据，证明了Shewanella loihica PV-4在铁(III)氧化物存在下能够自组装成导电网络，并揭示了半导体纳米矿物在促进长距离细胞外电子传递中的重要作用。这一发现不仅增进了对微生物在自然环境中活动的理解，还为设计和制造微生物燃料电池的生物阳极材料提供了新的思路。

研究亮点

1. 重要发现：首次证明了Shewanella loihica PV-4在铁(III)氧化物存在下能够自组装成导电网络，并揭示了半导体纳米矿物在电子传递中的关键作用。
2. 方法创新：研究使用了单室三电极系统、循环伏安法和光电流实验等多种实验方法，系统地验证了细菌网络的导电性和电子传递机制。
3. 应用价值：研究结果为微生物燃料电池的设计和优化提供了新的理论依据，具有重要的应用潜力。

其他有价值的内容

研究还通过突变实验和蛋白质展开实验进一步验证了外膜c-cyt在电子传递中的关键作用。这些实验为理解细菌电子传递的分子机制提供了重要线索。