Shewanella oneidensis-based artificial conductive micro-niche for hydrogen augmentation

基于Shewanella oneidensis的人工导电微环境用于氢气增产

来源：Chemical Engineering Journal

《化学工程杂志》


摘要内容：

该研究开发了一种将Shewanella oneidensis（S. oneidensis）与石墨烯、聚多巴胺（PDA）和海藻酸钙整合的人工导电微环境（微生态位），用于增强氢气（H₂）生产。研究发现，微环境内的呼吸代谢诱导局部缺氧条件，同时导电材料（如石墨烯）促进了细胞间电子转移，将胞外电子逆向传递至周质氢酶，使产氢速率比游离S. oneidensis提高12.7倍。此外，该微环境生物相容性良好，可持续产氢30天。


研究目的：

开发一种基于微生物-非生物材料复合的人工微生态系统，通过调控缺氧环境和电子传递路径，显著提升S. oneidensis的产氢效率和长期稳定性。


研究思路：

构建微环境：通过Pickering乳液法将S. oneidensis封装在海藻酸钙/石墨烯基质中，形成高密度细胞聚集的微生态位。


调控缺氧环境：利用细菌呼吸代谢消耗内部氧气，激活氢酶活性。


增强电子传递：引入导电材料（石墨烯、PDA）优化细胞间电子转移路径，促进胞外电子逆向传递至氢酶。


测量数据及研究意义：

氧气浓度分布（图2h）：使用丹麦Unisense微电极测量微生态位内部的氧气浓度，发现25μm深度处氧气浓度趋近于零，表明内部形成缺氧环境，激活了氢酶活性。


研究意义：缺氧环境是氢酶催化产氢的关键前提，此数据直接验证了微环境设计的有效性。

氧化还原电位（图2i）：微生态位的氧化还原电位随深度增加从+337 mV降至-445 mV（vs. SHE），显著低于游离细菌（-151 mV）。


研究意义：低氧化还原电位表明微环境具有更强的还原能力，有利于产氢反应。

电化学阻抗谱（图3h）：导电微生态位（如MR-1/G）的电荷转移电阻（Rct=65.33Ω）比普通微生态位（Rct=117.8Ω）降低44.5%。


研究意义：导电材料的引入显著提升了电子传递效率，为电子逆向传递至氢酶提供支持。

产氢性能（图3b、5f）：导电微生态位（MR-1@PDA/G）的产氢速率达0.37 μmol/day，是游离细菌的12.7倍，且可持续30天。


研究意义：证明了导电微环境在提升产氢效率和长期稳定性方面的优势。


结论：

微生态位的构建通过呼吸代谢诱导缺氧环境，激活氢酶活性，并通过高密度细胞聚集促进胞间电子传递。


石墨烯和PDA的引入优化了电子转移路径，实现了胞外电子逆向传递至周质氢酶，显著提升产氢速率。


该微环境生物相容性优异，支持S. oneidensis持续产氢30天，为微生物-非生物杂化系统在绿色生物制造中的应用提供了新策略。


丹麦Unisense电极测量数据的详细解读：

通过Unisense微电极测得的氧气浓度数据（图2h）显示，微生态位内部深度25μm处氧气浓度趋近于零，表明呼吸代谢成功创造了缺氧环境。这一数据直接验证了微环境设计的核心机制——缺氧是氢酶催化产氢的必要条件。此外，氧化还原电位随深度降低（图2i）进一步表明微环境内部形成了强还原性微区，为产氢反应提供了热力学驱动力。这些数据不仅证实了理论假设，还为优化微环境结构（如细胞密度、材料导电性）提供了实验依据。