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机械能驱动电活性微生物的生长与碳固定

期刊:engineeringDOI:10.1016/j.eng.2024.08.006

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的学术报告:

主要作者及研究机构

该研究的主要作者包括Guoping Ren、Jie Ye、Lu Liu、Andong Hu、Kenneth H. Nealson、Christopher Rensing和Shungui Zhou。研究团队来自中国福建农林大学资源与环境学院福建省土壤环境健康与调控重点实验室,以及美国南加州大学地球科学系。该研究于2025年发表在《Engineering》期刊上。

学术背景

该研究属于环境工程与微生物学交叉领域,旨在探索机械能作为可再生能源驱动电活性微生物(electroactive microorganisms)生长与碳固定的潜力。传统上,微生物代谢主要依赖于光能(phototrophy)和化学能(chemotrophy),但在一些极端环境中,如地下深层,这些能源可能非常有限。机械能广泛存在于自然界中,例如地震、断层运动和水流等,但其作为微生物能源的潜力尚未被充分挖掘。该研究通过压电材料(piezoelectric materials)将机械能转化为电能,进而支持微生物的生长与代谢,揭示了一种全新的微生物代谢途径。

研究流程

研究主要包括以下几个步骤:

  1. 微生物与培养基准备
    研究使用了多种电活性微生物,包括Rhodopseudomonas palustris(R. palustris)、Geobacter sulfurreducens、Shewanella oneidensis等。这些微生物从中国普通微生物菌种保藏中心(CGMCC)和美国典型培养物保藏中心(ATCC)获取,并在矿物培养基中培养。所有培养过程在高纯度氮气环境下进行。

  2. R. palustris-BTO生物混合系统构建
    在R. palustris达到对数生长期后,加入压电材料钛酸钡(Barium Titanate, BTO)构建生物混合系统。通过机械搅拌(180转/分钟)培养两天后,对混合悬浮液进行离心、洗涤和重悬处理,以备后续实验。

  3. 生物混合系统表征
    使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)等技术对生物混合系统的表面形貌和压电特性进行表征。通过压电力显微镜(PFM)和电化学测量系统评估压电效应。

  4. 压电催化实验
    在厌氧条件下,使用不同浓度的R. palustris-BTO生物混合系统进行压电催化实验。通过机械搅拌、超声波和振动等方式模拟不同的机械力作用,评估其对微生物生长和硝酸盐还原的影响。实验中还研究了不同压电材料(如电气石、钛酸锶和石英)对催化性能的影响。

  5. 产物测量与同位素分析
    通过离子色谱仪、气相色谱仪和荧光探针等技术测量微生物生物量、ATP水平、硝酸盐还原产物等。使用13C标记的NaHCO3和15N标记的KNO3进行同位素实验,分析碳固定和氮还原的效率。

  6. 转录组分析
    对机械搅拌和静态条件下的R. palustris-BTO生物混合系统进行转录组分析,评估机械能对微生物基因表达的影响。通过Illumina测序平台对RNA进行测序,分析差异表达基因及其功能。

主要结果

  1. 生物混合系统表征
    研究证实了R. palustris与BTO之间的聚合物桥接作用,形成了稳定的生物混合系统。压电力显微镜和电化学测量结果显示,BTO具有优异的压电特性,能够在机械搅拌下产生稳定的电流。

  2. 机械能驱动的微生物生长与硝酸盐还原
    实验表明,机械搅拌显著促进了R. palustris的生物量增长和硝酸盐还原。转录组分析显示,机械搅拌上调了与电子传递和能量代谢相关的基因表达,如氢酶、纳米线和细胞色素c等。

  3. 压电催化的多样性
    研究还发现,其他电活性微生物如Methanosarcina barkeri和Desulfovibrio desulfuricus也能利用机械能进行代谢活动,如甲烷生成和硫酸盐还原。

结论

该研究揭示了一种全新的微生物代谢途径,即通过压电材料将机械能转化为电能,进而支持电活性微生物的生长与代谢。这一发现不仅为微生物在能源受限环境中的生存提供了新的解释,还为地球生物地球化学循环(如碳、氮、硫循环)的研究提供了新的视角。此外,该研究还为污染物降解和生物燃料生成等应用提供了创新的解决方案。

研究亮点

  1. 重要发现
    首次证实了机械能可以作为微生物代谢的能源,揭示了压电效应在微生物生长与碳固定中的重要作用。

  2. 方法创新
    研究开发了R. palustris-BTO生物混合系统,并通过多种实验手段(如压电力显微镜、转录组分析等)系统评估了其性能。

  3. 研究对象的特殊性
    研究不仅关注了R. palustris,还扩展到了其他电活性微生物,验证了压电效应在微生物界的普遍性。

其他有价值的内容

研究还探讨了机械能在自然环境中(如地下深层)的潜在作用,推测压电材料可能在微生物的长期生存和地球早期生命的演化中扮演了重要角色。这一推测为未来的研究提供了新的方向。

通过该研究,科学家们不仅揭示了机械能在微生物代谢中的重要作用,还为可再生能源的开发和应用提供了新的思路。

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