研究簡介:為了應對全球能源挑戰和環境問題，迫切需要可持續和生態友好的能源供應，這推動了眾多新技術的發展。多種細菌物種已被用于氫氣(H2)生產或通過生物質和廢水處理進行可再生生物發電。在為這些系統提供動力的細菌中，希瓦氏菌于20世紀80年代末被發現，是一種異化金屬還原微生物，因其將電子從細胞質呼吸氧化反應轉移到外部含金屬礦物質的能力而受到廣泛研究。鑒于H2燃料是最有前途的化石燃料替代品之一，將化學能創新為H 2能源的發達生物制造應該代表一種有前景的方法。大規模H2生產對環境影響較小。由于氫化酶的不耐氧性或半導體的生物相容性較低，微生物生物制氫在產氫速率和持續時間上的進一步提高仍然需要研究人員付出很大的努力。構建一個穩定有效的厭氧環境來激活氫化酶對于可持續的H2生成至關重要，盡管它在整個細胞中仍然很大程度上未被探索。研究人員提出了一種通過將奧奈達湖桿菌細胞摻入海藻酸鈣/石墨烯基質中來產生人工微生態位的方法。形成的微生態位呈微粒形式，每個微生態位（41μm）平均有847個奧奈達湖桿菌細胞。本論文研究了奧奈達湖桿菌細胞的呼吸代謝和空間協同作用，以促進微生態位內厭氧微環境的形成，從而有效地提高H2的產生。揭示了由于加入了包括石墨烯和聚多巴胺（PDA）在內的電活性物質而形成的導電微利基結構，該結構可以促進電子轉移。本研究開發的微利基增強H 2生產系統將擴展提高H 2生產的方法。

Unisense超微呼吸系統的應用

unisense O2微電極傳感器是尖端直徑為10μm的OX-10微傳感器。測試單個微缺口內的O2濃度、H2濃度和氧化還原電位，單個微缺口直徑為1.2mm，密度相同準備了(2.35×10 10 cells/cm3)作為用于定量等主要數據中的析氫的微生態位。顯微操作器的步長為5μm，用于O 2、H 2和氧化還原電位測量。新制備的微生態位用于測量H 2產量至少6小時。從反應系統中收獲聚集體。將一層微生態位固定在瓊脂基質（1.5 wt%瓊脂）上。微電極的直徑只有10μm，為了保護微電極在向下運動過程中不被損壞，樣品必須放置在瓊脂基底上。

實驗結果

通過優化的兩步Pickering乳液技術創建基于奧奈達湖桿菌的混合微生態位，開發了一種人工微生態H2生產模型。研究揭示了厭氧微環境和細胞外電子的再利用是奧奈達湖桿菌細胞實現H2產生的兩個關鍵因素。作為一種新型的H2生產模型，在奧奈達湖桿菌周圍集成石墨烯和基于PDA的涂層應該是一種有效的方法，可以創建導電微利基，連接細胞外電子反向轉移路徑。與游離的奧奈達湖桿菌相比，MR-1 PDA/G微生態位的H 2產生率提高了12.7倍。值得注意的是，整個過程顯示出良好的生物相容性，這使得構建的微生態位系統能夠長期產氫30天。

圖1、示意圖顯示了基于奧奈達湖桿菌的人工雜交微生態位內奧奈達湖桿菌細胞的組裝、空間分布和功能調節。(a)通過兩步乳化方法，大量奧奈達湖桿菌細胞（綠色棒）被緊密封裝在海藻酸鈣水凝膠基質中。形成的微生態位為奧奈達湖桿菌細胞提供了有限的空間，促進了由于呼吸而形成的厭氧環境。因此，與游離細菌相比，微生態位內的奧奈達湖桿菌細胞彼此更加接近，這有利于細菌間的電子轉移。(b)細菌間電子傳遞增強：無氧代謝產生的電子（紫色圓圈）通過電子從細胞質轉移到位于周質（內外膜之間的區域）和細胞外環境的氫化酶（藍色柱）運輸鏈（深紅色球體），同時細胞外電子可以很容易地通過石墨烯被相鄰的奧奈達湖桿菌細胞接收，然后轉移到氫化酶。

圖2、基于奧奈達湖桿菌的球形微生態位的形成。(a)使用1 mL 1%海藻酸鈉和1 mL奧奈達湖桿菌細胞懸液形成的微生態位的光學顯微鏡圖像(OD 600=4.0,109細胞/mL)，比例尺，50μm。(b)單個球形微生態位的SEM圖像，顯示奧奈達湖桿菌細胞封裝在基于藻酸鹽的基質中，比例尺，10μm。(c,d)微生態位的2D(c)和3D(d)共焦掃描圖像，顯示整個微生態位中存在DAPI標記的奧奈達湖桿菌細胞；激發波長為405 nm，比例尺分別為50μm和10μm。(e)單個微生態位上的藍色熒光強度圖。插圖顯示相應的共焦掃描圖像，染色如(d)所示，比例尺，10μm。(f)含有[Ru(dpp)3]Cl2氧指示劑的微生態位的熒光圖像；激發波長為488 nm，比例尺為40μm。(g)在單個微利基中基于氧微電極傳感器的測量的示意圖。使用瓊脂作為基底來保護電極。(h)微生態位內不同深度的O2濃度。(i)微生態位和游離奧奈達湖桿菌細胞的氧化還原電位曲線。