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来源：X一MOL资讯
细菌种类多样，功能多样，在多个领域都有重要研究价值。除了生物工程领域常见的基因层面的修饰，还可以在细菌中引入纳米材料来实现特定的功能。比如，杨培东团队曾利用金纳米团簇和细菌设计了一套反应系统，模仿自然界的光合作用，在光照下可以捕捉二氧化碳并将其转化为乙酸（Nat. Nanotech., 2018, 13, 900-905，点击阅读详细）。此外，电活性微生物能与电极发生电子交换，它们与电极的相互作用可以实现物质转化、能量转换等功能。人们将该微生物与电极结合以实现重金属还原、污染物降解、物质合成等功能。通常人们利用碳基材料作为电极（如石墨电极、碳布），因为它们具有良好的电化学稳定性、生物相容性和结构可塑性，在微生物燃料电池中得到了广泛的应用。然而，这些电极的结构比较紧密，不利于营养物质扩散、废物分离，这限制了对细菌生存环境的优化。此外，它们的疏水表面不利于与具有亲水性细菌的电子传递。在这些电极上吸附的细菌往往形成致密的生物膜，限制了它们的增殖和生长。
近日，英国剑桥大学的Erwin Reisner教授等人利用聚苯乙烯微球和氧化铟锡纳米颗粒设计了一种反蛋白石结构的ITO（inverse opal-indium tin oxide，IO-ITO）电极，将其与电活性细菌——硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）相结合，通过细菌代谢活动提供电子用于化学合成（富马酸盐的还原）和纳米材料的修饰（氧化石墨烯的还原）。
近日，英国剑桥大学的Erwin Reisner教授等人利用聚苯乙烯微球和氧化铟锡纳米颗粒设计了一种反蛋白石结构的ITO（inverse opal-indium tin oxide，IO-ITO）电极，将其与电活性细菌——硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）相结合，通过细菌代谢活动提供电子用于化学合成（富马酸盐的还原）和纳米材料的修饰（氧化石墨烯的还原）。
在该电极中还可培养与其有共生关系的希瓦氏菌（Shewanella）以提高反应电流。当将电极材料换为光敏材料时还可以利用光能合成化学物质。该生物电极体系为实现可持续供电和生物合成提供了重要的平台。相关工作发表在PNAS上。
IO-ITO电极由聚苯乙烯微球和ITO纳米颗粒组成，它们的平均直径分别为10 μm和50 nm，该电极表面亲水性强，还具有多孔结构，这有利于细菌的亲附和扩增。硫还原地杆菌带有负电荷，当电极带正电时细菌就会附着并进入IO-ITO电极。在电极表面的细菌可以乙酸盐为碳源生长，同时将该过程中产生的多余电子通过细胞膜蛋白细胞色素C直接传递给电极，电流最高可达3 mA cm-2。当乙酸盐含量下降时电流也会下降，可以通过补充乙酸盐来增加电流。而如果将该电极换成ITO或者金平板电极，电流只有∼0.2 mA cm-2。
作者利用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）表征电极，发现细菌可以进入IO-ITO电极内部并附着在介孔中。由激光共聚焦显微镜可以发现细菌生存状态良好。作者基于RNA-seq测序的转录组分析对比了在IO-ITO电极上和溶液中生存的硫还原地杆菌，结果发现在IO-ITO电极上的硫还原地杆菌调节基因降低了能量消耗，或与生存环境改变有关。随后作者基于微生物之间的共生关系，提出在电极中同时培养两种细菌以提高电流。希瓦氏菌是一种通过分泌电子中介体黄素实现间接电子传递的细菌，以乳酸盐为碳源，可将乳酸盐转化为乙酸盐，而乙酸盐可被硫还原地杆菌利用，两者都可将电子转移到电极用于电合成。作者发现，这种共生体系的电流更大。
接着作者研究了该细菌杂化电极体系的实用性。他们以富马酸盐还原反应为模型，将电压设为-0.45V vs. SHE，修饰了硫还原地杆菌的IO-ITO电极产生阴极电流，持续80 h电流变为零，在该过程中富马酸盐被还原为琥珀酸盐，法拉第效率为(93 ± 12)%。而不存在硫还原地杆菌时，在该电压下并不能直接电还原富马酸盐。另外，作者还将该杂化电极用于还原氧化石墨烯。电压设为-0.3V vs. SHE，反应20 h之后氧化石墨烯的疏水性增加，同时在拉曼光谱中D带和G带强度比率增加。而不存在细菌时，只有极少量氧化石墨烯被还原。因此，实验证明该细菌杂化电极能够用于合成天然代谢产物和多功能材料，并且需要的能量更少。
最后，作者将ITO电极换为TiO2电极，将其与光化学结合。在光敏剂RuP（λmax = 457 nm）存在下，以三乙醇胺为牺牲剂提供电子，利用模拟太阳光照射就可将富马酸盐还原为琥珀酸盐。为了避免牺牲剂的使用，作者在单斜晶体BiVO4上沉积CoOx作为吸光材料，该材料可以有效光解水以获得电子。结果发现在光照下BiVO4-CoOx光电极结合硫还原地杆菌能够将富马酸盐还原成琥珀酸盐。利用杀菌剂将电极中的细菌杀死之后，则不能发生该反应，这也证明富马酸盐的还原反应是通过细菌的代谢完成的。这些结果都证明了该细菌杂化电极的潜在应用价值。
IO-ITO电极由聚苯乙烯微球和ITO纳米颗粒组成，它们的平均直径分别为10 μm和50 nm，该电极表面亲水性强，还具有多孔结构，这有利于细菌的亲附和扩增。硫还原地杆菌带有负电荷，当电极带正电时细菌就会附着并进入IO-ITO电极。在电极表面的细菌可以乙酸盐为碳源生长，同时将该过程中产生的多余电子通过细胞膜蛋白细胞色素C直接传递给电极，电流最高可达3 mA cm-2。当乙酸盐含量下降时电流也会下降，可以通过补充乙酸盐来增加电流。而如果将该电极换成ITO或者金平板电极，电流只有∼0.2 mA cm-2。
作者利用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）表征电极，发现细菌可以进入IO-ITO电极内部并附着在介孔中。由激光共聚焦显微镜可以发现细菌生存状态良好。作者基于RNA-seq测序的转录组分析对比了在IO-ITO电极上和溶液中生存的硫还原地杆菌，结果发现在IO-ITO电极上的硫还原地杆菌调节基因降低了能量消耗，或与生存环境改变有关。随后作者基于微生物之间的共生关系，提出在电极中同时培养两种细菌以提高电流。希瓦氏菌是一种通过分泌电子中介体黄素实现间接电子传递的细菌，以乳酸盐为碳源，可将乳酸盐转化为乙酸盐，而乙酸盐可被硫还原地杆菌利用，两者都可将电子转移到电极用于电合成。作者发现，这种共生体系的电流更大。
接着作者研究了该细菌杂化电极体系的实用性。他们以富马酸盐还原反应为模型，将电压设为-0.45V vs. SHE，修饰了硫还原地杆菌的IO-ITO电极产生阴极电流，持续80 h电流变为零，在该过程中富马酸盐被还原为琥珀酸盐，法拉第效率为(93 ± 12)%。而不存在硫还原地杆菌时，在该电压下并不能直接电还原富马酸盐。另外，作者还将该杂化电极用于还原氧化石墨烯。电压设为-0.3V vs. SHE，反应20 h之后氧化石墨烯的疏水性增加，同时在拉曼光谱中D带和G带强度比率增加。而不存在细菌时，只有极少量氧化石墨烯被还原。因此，实验证明该细菌杂化电极能够用于合成天然代谢产物和多功能材料，并且需要的能量更少。
最后，作者将ITO电极换为TiO2电极，将其与光化学结合。在光敏剂RuP（λmax = 457 nm）存在下，以三乙醇胺为牺牲剂提供电子，利用模拟太阳光照射就可将富马酸盐还原为琥珀酸盐。为了避免牺牲剂的使用，作者在单斜晶体BiVO4上沉积CoOx作为吸光材料，该材料可以有效光解水以获得电子。结果发现在光照下BiVO4-CoOx光电极结合硫还原地杆菌能够将富马酸盐还原成琥珀酸盐。利用杀菌剂将电极中的细菌杀死之后，则不能发生该反应，这也证明富马酸盐的还原反应是通过细菌的代谢完成的。这些结果都证明了该细菌杂化电极的潜在应用价值。
总结
原文：A three-dimensional hybrid electrode with electroactive microbes for efficient electrogenesis and chemical synthesisXin Fang, Shafeer Kalathil, Giorgio Divitini, Qian Wang, Erwin ReisnerPNAS, 2020, 117, 5074-5080, DOI: 10.1073/pnas.1913463117
来源：X-molNews X一MOL资讯
原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTExNzg4Nw==&mid=2657632087&idx=2&sn=d9c9778188cde28115c326c02565b763&chksm=80f81687b78f9f918ae705d54664a79c3c36be6ac465556288f052dde8eba75f40e8ef66f4ab&scene=27#wechat_redirect
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