微生物直接种间电子传递:机制及应用
发布时间：2019-11-30
摘 要 微生物种间电子传递(Interspecies electron transfer，IET)是指电子供体微生物与电子受体微生物之间通过直接或间接方式传递电子形成互营生长关系，从而共同完成单一微生物不能完成的代谢过程的现象。IET分为间接种间电子传递(Mediated IET，MIET)和直接种间电子传递(Direct IET，DIET)。其中，前者一般需要氢、甲酸、核黄素等作为电子载体，而后者是指微生物间通过纳米导线、氧化还原蛋白、导电颗粒等进行直接电子交换。DIET是最新发现的IET方式，DIET 的发现改变了微生物互营代谢必须依赖氢/甲酸等能量载体的传统认识。本文在论述MIET的同时，重点阐述了DIET的三种介导机制，列举了参与IET的典型微生物种类，系统介绍了IET在厌氧消化产甲烷、甲烷厌氧氧化、微生物脱氯等重要环境过程中的作用机制及应用潜力，并展望了微生物种间电子传递的未来研究方向。本综述有助于加深对微生物IET发生机制的认识，为理解微生物IET在自然界碳氮等元素循环、温室气体排放、污染物降解等关键生物地球化学过程中的作用提供理论基础，为IET的实际工程应用提供可能。
关键词 种间电子传递;直接种间电子传递;纳米导线;氧化还原蛋白;厌氧消化
微生物种间电子传递(Interspecies electron transfer，IET)是指电子供体微生物与电子受体微生物之间通过直接或间接方式传递电子形成互营生长关系，从而共同完成单一微生物不能完成的代谢过程的现象[1-3]。例如，在以乙醇为电子供体、富马酸为电子受体的地杆菌共培养体系中，金属还原地杆菌Geobacter metallireducens不能以富马酸为电子受体氧化乙醇，硫还原地杆菌 G. sulfurreducens无法以乙醇为电子供体还原富马酸，但当两微生物同时存在时，G. metallireducens 可将乙醇氧化产生的电子传给G. sulfurreducens， G. sulfurreducens再将电子传至富马酸，实现 G. metallireducens与G. sulfurreducens的电子互营 [ 4 ] 。微生物 IET 分为间接种间电子传递(Mediated IET，MIET)和直接种间电子传递(Direct IET，DIET)。其中，MIET是指微生物间通过氧化还原性内源(细菌自身产生的)小分子物质如氢/甲酸、核黄素等或外源(天然存在或人工合成)小分子物质如腐殖质等实现电子传递的方式，是一种经典的互营生长机制[5]。DIET是指微生物间通过自身导电结构如导电菌毛和细胞色素c等实现电子交换的过程[6]。此外，外源导电物质如活性炭[7]和磁铁矿[8]也能介导微生物间的IET。由于它们介导的IET不需要能量载体的协助，而是直接依靠介体的导电性实现电子传递，因此将这类IET归为DIET。
微生物IET起源最早可追溯至20世纪初。1906 年Omelianski [9]分离得到的乙醇氧化产甲烷奥氏杆菌(Methanobacillus omelianskii)。之后， Bryant等[10]发现M. omelianskii其实是产乙酸菌与产甲烷菌的共培养物，产乙酸菌与产甲烷菌间以氢气为电子载体实现电子互营。除氢气外，1988 年Thiele和Zeikus[11]发现甲酸也能协助微生物间的电子传递，并且在互营产甲烷消化器中甲酸对 IET的贡献远大于氢气的贡献。在很长一段时间内，微生物间以氢/甲酸为电子载体进行电子传递被认为是微生物间电子互营的主要方式，直至2010 年Summers等[4]在地杆菌G. metallireducens与 G. sulfurreducens的共培养体系中发现细胞色素c和菌毛介导的DIET，才打破了微生物互营代谢的传统认识，为微生物IET研究打开了新视角。
微生物 IET 普遍存在且方式多样。产甲烷反应器、厌氧沉积物中广泛存在的产甲烷菌 Methanosaeta与地杆菌Geobacter之间既能借助氢/ 甲酸[12]和氧化还原性小分子物质[13-15]等实现电子转移，也能利用自身导电菌毛和氧化还原蛋白进行IET。目前微生物间利用氢/甲酸实现共培养的研究已比较成熟，但DIET研究仍处于初级阶段。为进一步理解厌氧微生物间的电子互营，本文在论述 MIET机制的同时，重点阐述了DIET机制及研究现状，列举了代表性IET微生物，介绍了IET在环境修复、温室气体减排等过程中的作用，并就IET未来研究方向提出了展望。
1 微生物IET机制
微生物IET方式分为MIET和DIET。其中， MIET包括：种间氢/甲酸转移(即微生物间以氢/ 甲酸为电子载体实现IET的方式，图1a)和电子穿梭机制(即微生物利用具有氧化还原特性的小分子物质如吩嗪、核黄素、腐殖质等实现电子转移的过程，图1b);DIET包括：纳米导线机制(微生物间利用自身导电菌毛实现电子互营，图1c)、氧化还原蛋白机制(主要以细胞色素c为电子载体进行电子传递，图1d)和导电物质介导机制(利用外源导电颗粒如活性炭、磁铁矿等进行电子传递，图1e)。此外，近年来在海洋沉积物中发现的电缆细菌(Cable bacteria)与硫氧化菌间的长距离氧化还原耦合也被认为是微生物IET的一种(图1f)：电缆细菌利用自身的长纤毛将硫氧化菌传来的电子传至沉积表面的含氧层，将氧气还原生成水，与硫氧化菌实现电子互营[16]。
1.1 MIET机制及研究现状
1967年Bryant等[10]在研究乙醇氧化产甲烷奥氏杆菌(M. omelianskii)时首次发现以氢气为电子载体的IET。该奥氏杆菌是产乙酸菌S菌株与产甲烷菌Methanobacterium ruminantium的共培养物。在该共培养体系中，S菌株氧化乙醇产氢气， M. ruminantium利用氢气还原CO2产甲烷。前者属于吸能反应，不能自发发生，必须依赖后者不断消耗氢气降低氢分压(理论上需小于0.1kPa)，才能持续反应[19]。除氢外，Thiele和Zeikus[11]在互营产甲烷消化器中发现甲酸也能促进微生物IET，并且甲酸对IET的贡献(大于90%)远高于氢气对IET的贡献(小于10%)。1989年Boone等[20]在互营菌(Syntrophomonas wolfei)与产甲烷菌(M. formicicum)的共培养体系中，采用扩散模型进一步证实了种间甲酸转移的存在，并且发现种间甲酸转移速率是种间氢转移的100倍。2002年 Plugge等[21]发现丙酸盐氧化菌与产甲烷菌共培养体系在甲酸和氢气同时存在的情况下生长更好，表明种间氢和甲酸转移可同时发生。此外，对于既可消耗氢气又可产生氢气的互营体系，微生物IET甚至存在电子反向传递的可能。例如在Desulfovibrio vulgaris和Methanosarcina barkeri的共培养体系中，D. vulgaris降解乳酸生成乙酸、二氧化碳和氢气，电子经由氢气传递至M. barkeri将二氧化碳还原成甲烷[22]。但当氢气浓度较低时，M. barkeri 自身会释放出氢气，氢气能被D. vulgaris利用，因此D. vulgaris和M.barkeri之间存在电子反向传递(电子由M. barkeri传至D. vulgaris)的可能[23]。此外，2008年Kosaka等[24]研究发现在以氢气为电子载体的互营体系中，甲酸脱氢酶会表达生成甲酸，推测甲酸是微生物种间氢转移的临时电子载体。De Bok等[25]根据费克扩散定律，对比氢气和甲酸的扩散速率和溶解度，提出氢气主要参与近距离的电子传递，而甲酸参与远距离的电子转移的理论。2013年Felchner-Zwirello等[26]研究认为微生物间可以通过缩短距离来达到增加种间氢转移通量的目的。
在种间氢/甲酸转移体系中，微生物氧化有机物产氢通常与NAD+ /NADH、FAD/FADH2或辅酶 F420/F420-H2以及Fd(ox)/Fd(red)(Fd，铁氧化还原蛋白)等氧化还原中间体的相互转化相耦联[27]。这些耦联反应在标准状态下的吉布斯自由能通常为正值，反应无法自发发生。当氢气分压小于某值时，吉布斯自由能由正值变为负值，反应可自发发生，方便电子供体微生物传出电子(表1)。
电子穿梭机制是指微生物间借助自身分泌、天然存在或人工合成的具有氧化还原活性的小分子物质(电子穿梭体)进行电子传递的方式[28]。1978年Biebl和Pfennig [29]在脱硫单胞杆菌Desulfuromonas acatoxidans和突柄绿菌 Prosthecochloris aestuarii的共培养体系中发现硫化物能够介导微生物IET。其中，D. acatoxidans 以乙醇为电子供体将硫单质还原成硫化物，P. aestuarii通过光合作用固定CO2并将硫化物氧化生成硫单质，如此循环往复实现IET。2002年Kaden 等[30]在以乙酸为电子供体、硝酸盐为电子受体的地杆菌G. sulfurreducens与沃林氏菌Wolinella succinogenes共培养体系中发现了L-胱氨酸/半胱氨酸介导的IET。G. sulfurreducens在氧化乙酸的同时将L-胱氨酸还原成L-半胱氨酸，W.succinogenes 利用L-半胱氨酸将硝酸盐还原，而L-半胱氨酸被氧化成L-胱氨酸再次参与乙酸氧化。2015年Smith 等[15]发现在外源添加腐殖质类似物AQDS的情况下，G. sulfurreducens与G. metallireducens的互营代谢速率得到促进，并且突变株共培养实验证明 AQDS协助的IET能为受体微生物G. sulfurreducen 提供足够能量用于生长。
1.2 DIET机制及研究现状
2010 年 Summers 等 [ 4 ] 在以乙醇为电子供体、富马酸为电子受体的G. metallireducens与 G.sulfurreducens共培养体系中发现了细胞色素c 和菌毛介导的DIET。DIET的发现打破了对微生物IET的传统认知，是微生物IET研究的一大里程碑。目前地杆菌参与的DIET研究最为透彻，本节将主要总结地杆菌参与的DIET机制研究。
地杆菌参与的DIET体系如G. metallireducens 与G. sulfurreducens的共培养中，通常能看到大量菌毛形成的缠绕结构[4]。在菌毛的作用下，互营微生物双方形成紧密的团聚体，以缩短电子传递距离，减少能量损耗。而对于无导电菌毛介导的互营体系通常无法实现DIET。如G. metallireducens 在缺失菌毛表达能力的情况无法与产甲烷菌 Methanosaeta或Methanosarcina实现IET[31]。并且G. metallireducens与G. sulfurreducens中无论哪一方被敲除菌毛表达基因均无法与对方进行电子互营[4, 6]，表明了菌毛在DIET中的重要地位。
菌毛是从细胞表面延伸出来的丝状蛋白，不仅能帮助细菌附着，促进细胞运动，也能将电子传出至胞外电子受体。2005年Reguera等[32]利用改造的原子力显微镜发现G. sulfurreducens菌毛具有导电欧姆响应。Lovley等[33]纯化菌毛检测发现 G. sulfurreducens菌毛电导率能达到188Ms·cm-1 ，类似于金属导电性，并提出了菌毛的类金属导电模型[34](见图2a)：电子通过菌毛芳香环π-π 轨道折叠形成的电子云进行传递，而细胞色素c在菌毛电子传递过程中只是充当中间体或电子储容器。2011年Strycharz等[35]在G. sulfurreducens传递电子至电极的过程中，通过基因敲除等手段提出了不同于类金属导电模型的电子跃迁理论(见图 2b)：电子沿着菌毛上毗邻的氧化还原蛋白(细胞色素c)逐步跃迁至电子受体实现电子转移，其中菌毛起着电子传递支架的作用。2013年Bonanni 等[36]结合类金属导电模型和电子跃迁模型，提出了Stepping stone理论(见图2c)：电子沿着菌毛上的芳香环簇进行传导，当芳香环簇距离大于电子可直接传递距离时，电子依靠菌毛上的细胞色素c 进行传递。
微生物周质和膜上通常分布有多种氧化还原蛋白，且在不同胞外电子传递模式下参与的细胞色素c种类存在差异[37]。根据2016年Shi等[38]提出的地杆菌G. sulfurreducens电子由内膜向外膜传递的模型(图3)：胞内电子通过氢醌的氧化反应将电子传递给内膜上的ImcH(高电位)或CbcL (低电位)蛋白，ImcH或CbcL上的电子经周质蛋白PpcA家族蛋白的介导传递至外膜蛋白如OmaB、 OmcB、OmaC、OmcC。其中OmaB、OmcB与 OmbB以及OmaC、OmcC与OmbC形成跨膜蛋白复合体介导电子传递，在胞外电子传递过程中起着重要作用。在以Fe 3+为电子受体的胞外电子传递过程中，细胞色素OmcS是电子由细胞表面传递至胞外电子受体的重要介体蛋白[39]而参与较薄的阳极生物膜胞外电子传递的蛋白主要是OmcS和 OmcE[40]，当阳极生物膜变厚时，参与胞外电子传递过程的细胞色素主要是菌毛蛋白PilA和细胞色素OmcZ[41]。
在地杆菌参与的 DIET 过程中，发挥重要作用的氧化还原蛋白是外膜细胞色素 OmcS 。 2010年Summers等[4]在G. metallireducens与 G. sulfurreducens的互营体系中发现一种与G. sulfurreducens导电菌毛相结合的氧化还原蛋白 — 细胞色素 OmcS 得到了大量表达，并且 G. sulfurreducens在敲除掉OmcS的表达基因后无法与G. metallireducens实现共培养，表明OmcS在 DIET中担当着重要角色。此外，跨膜蛋白在IET 也发挥了一定的作用。2017年Phuc等[42]在突柄绿菌P. aestaurii与地杆菌G. sulfurreducens的互营厌氧光合成体系中发现，两者外膜紧密接触，且G. sulfurreducens在缺失跨膜孔蛋白与细胞色素复合体(ombB-omaB-omcB-orfS-ombC-omaComcC)的情况下无法与P. aestaurii达成共培养关系，表明外膜蛋白影响了微生物间的DIET过程。 2015年Benomar等[43]通过蛋白荧光标记发现，脱硫弧菌Desulfovibrio vulgaris和梭菌Clostridium acetobutylicum共培养时进行了蛋白交换，表明微生物间存在通过交换蛋白实现IET的可能。
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