微生物电化学系统探究微生物与电极的相互作用,主要研究微生物与电极间电子运输机制、微生物得失电子的代谢状态等。此前本团队发现底盘微生物运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）能够向胞外转运电子并产生电流,证明该细菌具有电活性。本研究为了探究运动发酵单胞菌用电的能力,即利用外部电能进行代谢物生产,使用H型电化学发酵装置,在阴阳极双腔考察微生物的电化学发酵表现。通过发酵条件的优化,确定了3 V恒压电源和100 g/L葡萄糖底物可以使通电与不通电的发酵代谢物生产出现最大差异:阳极腔甘油产量上升24%;阴极腔葡萄糖消耗上升16%,产物乙醇、琥珀酸的产量也分别提高了13%、8%。进一步检测胞内氧化还原平衡变化,发现阳极腔和阴极腔中细菌胞内的NADPH/NADP+比值改变分别为-11.7%、+62.5%、NADH/NAD+比值改变分别为+6.1%、+27.7%、总抗氧化能力改变分别为-20%、-7.6%、细胞膜通透性改变分别为-42.2%、+7.1%。通过胞外电子载体添加和细胞膜通透性改变调控细胞的电活性状态,发现核黄素、硫堇、吐温-80的促进效果最好。结合基因转录水平的变化,探究了电化学调控改变代谢流的机理。总结得出,阳极组的高氧化还原电位对细胞造成氧化胁迫,使细胞膜通透性下降,胞内物质转运与主代谢通路受阻,代谢流向支路产物甘油,促使甘油产量上升;阴极组在低氧化还原电位下,胞内还原力充足,葡萄糖代谢相关基因转录上调,使得底物葡萄糖转运、主产物乙醇合成、副产物琥珀酸合成都有较为明显的提升。此外,根据转录组数据挑选了16个电活性相关基因进行过表达或敲除验证其功能,发现编码超氧化物歧化酶的ZMO1060、编码蛋白参与铁硫簇合成的ZMO1819、ZMO2028和编码蛋白参与鞭毛合成的ZMO0614等基因的过表达能增强运动发酵单胞菌的电活性和发酵性能。该研究证明了电化学调控促进运动发酵单胞菌高效生产代谢物的可能性,并揭示了其机理,为其他微生物电化学调控提供了较好的参考。