李传福
细胞外电子传递机制在环境生物技术中的应用进展与展望
2024-6-22 16:29
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韩国国立釜山大学Jung Rae Kim等科研人员介绍了微生物在环境生物技术中的一种重要生物过程——胞外电子传递(Extracellular Electron Transport, EET)。这个过程涉及到微生物如何将细胞内的电子传递到外部的电子受体,或者作为电子受体从外部来源接收电子。EET在环境生物技术中的应用前景广阔,包括在生物电化学系统(Bioelectrochemical Systems, BES)中的作用,如微生物燃料电池和微生物电合成系统,以及在非BES领域的应用,比如厌氧消化和生物浸出等。

在自然界中,微生物通过各种方式参与地球的元素循环,包括碳、氮、硫和磷等。其中,一些微生物拥有一种特殊的能力——胞外电子传递(EET),它们能够跨越细胞膜,与外界进行电子交换。这种能力不仅对微生物自身的代谢活动至关重要,也为人类提供了一种全新的环境治理和资源回收的途径。

EET的机制:

EET主要分为直接电子传递(Direct Electron Transfer, DET)和间接电子传递(Indirect Electron Transfer, IET)。DET通常依赖于微生物表面的电导蛋白,如c型细胞色素或导电纳米线,它们可以直接将电子从细胞膜传递到电子受体。IET则涉及到微生物利用中介物质或可溶性的氧化还原化合物来传递电子。

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EET在环境治理中的应用:

微生物燃料电池(MFCs):MFCs利用EET将有机污染物转化为电能,同时减少污染物的排放。这种技术已被用于处理各种有机废物,包括农业废弃物、工业废水等。

微生物电合成(MES):MES通过EET将二氧化碳转化为有用的有机分子和高附加值的化学品,为碳捕获和利用(CCU)技术提供了新的解决方案。

厌氧消化(AD):在AD过程中,EET可以促进微生物之间的直接种间电子传递(DIET),从而提高甲烷的产量和处理效率。

生物浸出(Bioleaching):微生物利用EET从矿物质或废物中提取有价值的金属,为电子废物的回收提供了一种环保的方法。

ET的优化与挑战

为了提高EET的效率,研究人员通过遗传和代谢工程改造微生物,增强其电子传递能力。此外,通过改变微生物与电极的界面,如使用导电材料修饰电极,也能提高EET的效率。然而,EET在实际应用中仍面临挑战,包括规模化生产、成本效益和系统稳定性等问题。

EET技术的发展为环境治理和资源回收提供了新的思路。随着对EET机制的深入理解,未来的研究将更加注重跨学科的合作,结合微生物学、化学、材料科学和环境工程等领域的知识,以实现EET技术的商业化和工业化。

EET作为一种新兴的生物技术手段,不仅能够提高环境治理的效率,还能促进资源的可持续利用。随着技术的不断进步和创新,我们有理由相信EET将在实现环境的碳中和和循环经济中发挥重要作用。

Progress and Prospects for Applications of Extracellular Electron Transport Mechanism in Environmental Biotechnology. 

https://doi.org/10.1021/acsestengg.4c00077

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