摘要
微生物胞外电子传递是微生物代谢活动的基本过程之一，驱动代谢过程中的物质和能量的转化。随着微生物胞外电子传递机制研究的深入，基于生物电化学强化的技术已应用在多个领域（包括能源转化、环境修复、生物合成）。其中，电化学活性微生物是生物电化学系统的生物基础，其种类涵盖古菌、细菌、真菌。光合细菌是一类光能自养型的电化学活性微生物，能利用CO2作为碳源，实现高附加值化学品转化。如何有效调控光合细菌CO2转化过程是化学工程研究的关键科学问题。本论文从微生物电子传递的角度出发，以一株光合细菌模式菌沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris CGA009）作为研究对象，采用生物电化学技术和蛋白质组学技术，探究了R.palustris CGA009的胞外电子传递机制，为调控其在环境领域中的应用提供理论基础。主要研究内容如下: (1)采用循环伏安法研究R.palustris CGA009的氧化还原性质，结果表明R.palustris CGA009菌体自身具有氧化还原能力，并且培养过程中R.palustris CGA009能分泌氧化还原活性物质。高效液相色谱-质谱鉴定结果表明其分泌的氧化还原活性物质为核黄素。此外，核黄素在光照条件下能进一步光解生成光色素，光色素也具有氧化还原活性，其作为一种新发现的电子穿梭体，能显著增强R.palustris CGA009对乙酸钠的代谢速率。 (2)构建了三电极体系，通过恒电位方法研究在不同电势下(-0.8V、-0.5V、-0.2Vvs.Ag/AgCl)R.palustris CGA009还原CO2的性能。结果表明在-0.8V时R.palustris CGA009的能量代谢最强，电流密度最大达到175mA/m2，CO2消耗速率达到21.1mg/(L·d-1)。 (3)为进一步探讨不同电势下R.palustris CGA009的胞外电子传递机制。通过Label-free蛋白质组学技术，对不同阴极电位与空白对照组之间的R.palustris CGA009的差异表达蛋白分析，主要得到以下三个发现:在-0.5V和-0.8V电势下，位于细胞膜上的细胞色素c氧化酶和ABC转运体等蛋白显著上调，这可能与电子的跨膜传递过程相关;差异表达蛋白的基因本体功能主要包括有独立的ATP周质转运复合体、集光复合体和质膜光收集复合物等;KEGG通路中含有差异表达蛋白数量最多的是与ATP运输相关的ATP结合转运蛋白通路。对阴极电位之间的差异表达蛋白分析结果表明在-0.8V电势下与光系统捕获光相关的蛋白以及ATP合成与转换相关的蛋白表达都显著上调。因此，R.palustris CGA009实现CO2固定的微生物电子传递过程主要依赖于光系统捕获光合成ATP的途径。
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