论文部分内容阅读
胞外电子传递是一种微生物特有的的厌氧呼吸方式,可用于生物修复重金属污染的水体和土壤。Shewanella是典型的胞外电子传递模式菌。近几年来,研究者发现导电纳米碳材料包括氧化石墨烯(graphene oxide(GO))及其复合物等对Shewanella胞外电子传递过程有正向显著影响,但对于促进机制尚未完全解析。本文主要开展了GO膜和氧化石墨烯/聚乙烯醇(graphene oxide/polyvinyl alcohol(GO/PVA))膜对Shewanella xiamenensis BC01(S.xiamenensis)胞外电子传递Cr(Ⅵ)厌氧还原效率的影响机制研究,主要结果如下:(1)首先通过真空抽滤的方法制备了 GO膜和GO/PVA膜。在GO膜和GO/PVA膜对初始浓度为50 mg/L Cr(Ⅵ)的微生物还原效率的影响实验中发现,添加GO膜和GO/PVA膜后Cr(Ⅵ)还原效率分别比对照提高了2.67倍和3.13倍。通过利用傅里叶红外变换光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱分析等手段对培养体系的GO膜和GO/PVA膜进行表征发现,GO膜和GO/PVA膜逐渐被生物还原,最后表现出还原氧化石墨烯的特性。因此整个反应过程可以分为氧化石墨烯介导的微生物还原阶段(stage Ⅰ)和近似还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide(rGO))介导的微生物还原阶段(stage Ⅱ)两个阶段。此外,添加GO膜和GO/PVA膜后电子供体乳酸的分解消耗量显著提高。(2)进一步对 S.xiamenensis胞外电子传递过程中细胞色素c(c-type cytochrome(c-Cyts))基因表达水平进行分析发现,mtrA、mtrC、mtrC、mtrD、mtrF、omcA、pet 和SO-4047的表达水平受GO膜和GO/PVA膜诱导而提升。另一方面,过表达mtrA、mtrB、mtrC、mtrD、mtrF和omcA后发现,c-Cyts基因表达水平的提升确实能显著促进Cr(Ⅵ)的还原速率。而且c-Cyts基因的表达水平受GO膜和GO/PVA膜的影响是分阶段从外到内活化的,在stage Ⅰ和stage Ⅱ都是由位于细胞外膜的c-Cyts基因率先激活并引起位于外膜以内的c-Cyts基因活跃表达。在GO膜和GO/PVA膜促进S.xiamenensis还原Cr(Ⅵ)的过程中,stageⅠ主要通过强化mtrD-mtrF和mtrD-mtrC途径传递电子的能力来提高Cr(Ⅵ)还原效率,stage Ⅱ主要由mtrA-omcA途径的活化来促进S.xiamenensis还原Cr(Ⅵ)。综合以上,GO膜和GO/PVA膜在Cr(Ⅵ)还原过程中通过分阶段促进不同c-Cyts活跃表达,从而消耗更多的乳酸产生更多的电子,同时通过不断提升石墨化还原程度成为良好的氧化还原中间介质,共同促进Cr(Ⅵ)还原效率。