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硫还原地杆菌在环境相关浓度下对半胱氨酸相关硫醇化合物的代谢周转
已知低分子量 (LMM) 硫醇化合物对各种生物体的许多生物过程都很重要，但 LMM 硫醇在厌氧菌中的研究不足。在这项工作中，我们研究了模型铁还原细菌 Geobacter sulphurreducens 对具有与半胱氨酸相关化学结构的纳摩尔浓度 LMM 硫醇的产生和周转。我们的结果表明，G. sulphurreducens 根据细胞生长状态和外部条件严格控制硫醇的产生、排泄和细胞内浓度。内源性半胱氨酸的产生和细胞输出与 Fe(II) 的细胞外供应相结合，这表明半胱氨酸排泄可能在细胞向铁蛋白的运输中发挥作用。添加过量的外源性半胱氨酸导致细胞将半胱氨酸快速大量地转化为青霉胺。添加同位素标记的半胱氨酸的实验证实，青霉胺是由半胱氨酸 C-3 原子二甲基化形成的，而不是通过对半胱氨酸暴露的间接代谢反应形成的。这是首次报道该化合物的从头代谢合成。青霉胺的形成随着外部暴露于半胱氨酸而增加，但该化合物并未在细胞内积累，这可能表明它是 G. 硫还原菌维持半胱氨酸稳态的代谢策略的一部分。我们的研究结果强调并扩展了严格厌氧菌中介导半胱氨酸样 LMM 硫醇稳态的过程。青霉胺的形成尤其值得注意，这种化合物值得在微生物代谢研究中引起更多关注。
Geobacter OmcZ 细丝的结构表明细胞外细胞色素聚合物多次独立进化
摘要 虽然早期的基因和低分辨率结构观察表明，Geobacter 等金属还原生物的细胞外导电丝由 IV 型菌毛组成，但现在已经确定细菌 c 型细胞色素可以聚合形成能够进行长距离电子传输的细胞外丝。有两种这样的细胞色素丝具有原子结构，它们由六血红素细胞色素 OmcS 和四血红素细胞色素 OmcE 形成。由于中心 OmcS 和 OmcE 核心内的血红素包装高度保守，并且亚基之间血红素配位模式相同，因此有人认为这些聚合物具有共同的起源。我们现在使用低温电子显微镜 (cryo-EM) 来确定第三种细胞外丝的结构，它由 Geobacter sulphurreducens 八血红素细胞色素 OmcZ 形成。与来自同一生物体的 OmcS 和 OmcE 中的线性血红素链相比，OmcZ 中的血红素堆积、血红素：血红素角度和亚基间血红素配位截然不同。OmcZ 内的分支血红素排列导致每个亚基中血红素高度暴露在表面，这可能解释了导电生物膜网络的形成，并解释了 OmcZ 细丝测量到的更高电导率。这一新的结构证据表明，导电细胞色素聚合物不止一次独立地从不同的祖先多血红素蛋白中出现。
超高动力微生物细胞色素纳米线产生湿度的功率
混合电子离子导体对于各种技术至关重要，包括在耐用，自我维持的，不受位置或环境1,2的不受限制的方式中从湿度中收获能力。已经提出了50年的混合导体3,4。最近，据称Geobacter Sulfurreducens Pili丝是发电5,6的纳米线。在这里，我们表明该功率是由G.硫核的生产的细胞色素OMCZ纳米线产生的，其电子电导率比Pili 7高20,000倍。非常明显的是，由于定向电荷通过无缝堆叠的Hemes和带电的氢键表面，纳米线显示了超高电子和质子迁移率（> 0.25 cm 2 /vs）。AC阻抗光谱和直流电导率测量，使用四个探针范德布尔和背门效率 - 效应 - 横向器设备表明，湿度会使载流子的迁移率提高30,000倍。冷却将激活能量减半，从而加速电荷传输。电化学测量结果确定将纯电子传导转换为发电的混合传导所需的电压和迁移率。高纵横比（1：1000）和亲水性纳米线表面可有效捕获水分以逆转降低氧气，从而产生巨大的电位（> 0.5 V），以维持高功率。我们的研究建立了一类新的生物合成，低成本和高性能的混合导管，并确定了使用高度可调的电子和蛋白质结构来提高功率输出的关键设计原理。
通过膜曝气硝化法生物电化学去除尿液中的 COD，实现高效、最大限度和稳健的氮回收
从源头分离的尿液中回收资源可缩短地球上的营养循环，对深空探索的再生生命支持系统至关重要。在本研究中，开发了一种强大的两阶段、节能、不依赖重力的尿液处理系统，将新鲜真实的人类尿液转化为稳定的营养液。在第一阶段，在微生物电解池 (MEC) 中去除高达 85% 的 COD，将有机化合物中的部分能量 (27-46%) 转化为氢气，并通过防止第二阶段通过反硝化造成的氮损失实现完全氮回收。除了去除 COD 之外，所有尿素都在 MEC 中水解，从而产生富含氨氮和碱度、COD 低的流体。该流体被送入膜曝气生物膜反应器 (MABR)，以通过硝化将挥发性和有毒的氨氮转化为非挥发性硝酸盐。生物电化学预处理允许在低于 0.1 mg O 2 L −1 的本体相溶解氧水平下将 MABR 中的所有氮以硝酸盐形式回收。相反，在相同的氮负荷率下向 MABR 直接供给原尿液（省略第一阶段）会因反硝化而导致氮损失（18％）。MEC 和 MABR 的特点是微生物群落非常不同且多样。虽然（严格的）厌氧属，例如 Geobacter（电活性细菌）、Thiopseudomonas（Lentimicrobiaceae 成员）、Alcaligenes 和 Proteiniphilum 在 MEC 中占主导地位，但 MABR 以需氧属为主，包括 Nitrosomonas（已知的铵氧化剂）、Moheibacter 和 Gordonia 。两阶段方法产生了稳定的富含硝酸盐、COD 低的营养液，适用于植物和微藻培养。
生物钯纳米粒子可改善微生物燃料电池中的生物电生成
生物钯纳米粒子可提高微生物燃料电池的生物电生成 Mehdi Tahernia、Maedeh Mohammadifar、Shuai Feng 和 Seokheun Choi * 纽约州立大学宾厄姆顿分校电气与计算机工程系生物电子与微系统实验室，纽约州宾厄姆顿 13902，美国 摘要 具有原位生物钯纳米粒子的电活性细菌可使微生物燃料电池 (MFC) 的功率密度提高 75%。钯纳米粒子由细菌通过生物电化学还原生物合成，并保持与细胞膜结合，促进细菌细胞外电子在细胞电极界面的转移。这项工作彻底改变了人们对细菌在微生物代谢过程中如何生物合成金属纳米粒子的认识，并引入了一种自下而上的新颖方法，以更环保、更经济的方式制造用于可再生能源生产的微生物电化学装置。 关键词 生物钯纳米粒子；生物电化学还原；生物合成；微生物燃料电池 引言 电微生物学是一个新兴的研究领域，研究微生物与外部电极的电子交换和微生物电化学功能 [1, 2]。电微生物学取得了重大进展，带动“电活性细菌”的发现，电活性细菌是能够将电子直接转移到电极的微生物 [3]。通过将电活性细菌纳入微生物燃料电池 (MFC)，这种生物-非生物组合系统利用有机废物产生可再生生物电，同时生产增值化学品/生物燃料，为环境可持续性提供了解决方案 [4, 5]。尽管该技术潜力巨大，但由于其发电量低，其前景尚未转化为应用 [6，7]。由细菌代谢合成的细菌金属纳米粒子因其促进微生物细胞外电子转移的巨大潜力而备受关注 [8-10]。特别是钯纳米粒子 (Pd-NPs) 具有作为电催化剂的巨大潜力 [11]。脱硫弧菌、大肠杆菌和硫还原地杆菌等几种细菌能够将可溶性 Pb(II) 转化为 Pd-NPs，这主要依赖于它们细胞外电子转移的能力 [8，12]。然而，关于原位形成 Pd-NPs 以改善 MFC 发电的研究要么不可用，要么非常有限。在这项工作中，我们展示了原位形成的导电 Pd-NPs 对纸基 MFC 发电的影响。 Pd-NPs 是通过电化学还原 Na2（PdCl4）溶液在 Shewanella oneidensis MR-1 表面直接生物合成的[13]。然后将含有 Pd-NPs 的细菌细胞应用于 MFC 中产生生物电（图 1）。