近日，我院郑越副教授与中科院城市环境研究所赵峰研究员合作，在Biosensors & Bioelectronics期刊发表题为“An electrochemical system for the rapid and accurate quantitation of microbial exoelectrogenic ability”的研究成果。该研究设计开发了简便、快速、准确的微生物电化学活性定量方法。这将有助于加速推动以微生物电化学为基础的基础研究和工程应用。
研究背景
生命代谢的本质是基于电子转移的生化反应过程。1911年微生物Saccharomyces和Bacillus被发现能够产生电流，随后的100多年中，研究人员在跨越古菌、细菌、真菌的9个门类微生物中均证实了微生物产电现象，并将这类通过胞外电子传递实现能量代谢的微生物统称为“电化学活性菌”（Electrochemically Active Microbes）。电化学活性菌是地球生物化学循环（包含碳循环、氮循环、硫循环、铁循环等）中的关键驱动力，也在环境修复、污水处理、资源回收、合成生物学等领域呈现出重要的应用前景（图1）。
图1. 电化学活性菌及其科学价值举例
不论是微生物电化学的基础研究还是工程应用，其核心是微生物的胞外电子传递过程，如何准确量化微生物的电化学活性是关键。目前，其活性的测定方法可归为两大类：直接电化学法和间接显色法。直接电化学法是在电极上形成稳定的生物膜后，直接测定其产电能力。该方法技术相对成熟、但生物膜形成过程耗时长，且参与细菌的数量和状态难以控制，这一定程度造成测试结果不稳定，不利于表型对比；间接显色法是依赖于胞外还原显色材料，反映某个特定电势下微生物电化学活性。该方法快速简便，可实现细胞的高通量测定，但显色材料的毒性和细胞自身颜色可能会影响测定。
研究结果
针对电化学活性定量的“快速-准确-容易”要求，“An electrochemical system for the rapid and accurate quantitation of microbial exoelectrogenic ability”的研究，将“过滤”的理念引入到微生物活性测定中（图2）。以负载金纳米颗粒的滤膜作为工作电极，通过真空抽滤实现细胞快速定植于工作电极表面（≤3分钟），传统方法中细胞自发生长附着工作电极的时间＞1周。
图2. 微生物电化学活性测定装置示意图
该方法具有以下特点：1）可控制待测细胞的生长状态和数量，实现电化学活性的快速精确测定；2）可区分直接胞外电子传递和间接胞外电子传递的表型差异；3）适用于不同类型的电化学活性菌，如革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、真菌；4）可结合生物技术，实现电化学表型和生物学机制的同步研究（图3），为建立电化学活性菌数据库和资源库提供了支撑。
图3. 不同生长阶段Shewanella onedensis MR-1电化学活性的测定
研究团队
厦门大学博士生汪欢为论文第一作者，厦门大学郑越副教授和中科院城市环境研究所赵峰研究员为通讯作者。该研究感谢国家自然基金委、福建省自然基金委、厦门大学南强青年拔尖人才支持计划（B类）的资助；同时感谢中国科学院亚热带研究所的朱宝利研究员、中国科学院地球地质研究所的刘嘉玮副研究员、俄克拉荷马大学的秦玮教授的支持和帮助。
论文来源：Huan Wang, Yue Zheng*, Jiawei Liu, Baoli Zhu, Wei Qin, Feng Zhao*, An electrochemical system for the rapid and accurate quantitation of microbial exoelectrogenic ability. Biosensors & Bioelectronic, 2022: 114584.
文、图 | 郑越
责任编辑 | 郑越
