CREST | 湖南大学汤琳团队：双向胞外电子传递机制及其在能源与环境领域的应用进展

导 读

湖南大学汤琳团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“双向胞外电子传递机制及其在能源与环境领域的应用进展（The mechanism and application of bidirectional extracellular electron transport in the field of energy and environment，2021, 51,(17):1924–1969）”的重磅综述。

胞外电子传递（extracellular electron transfer，EET）是在微生物和胞外氧化还原物质之间发生的电子传递过程，该过程具有双向性：电子从微生物转移到胞外电子受体（胞外电子释放），电子从胞外电子供体转移到微生物（胞外电子摄取），这使得生物化学信息和能量能够与周围环境进行交换。作为一种新型生物能源战略，双向EET为清洁能源和载体（氢气和甲烷）的生产以及从二氧化碳中生产增值化学品提供了低成本的机会。电活性微生物也可以将环境中的污染物转化为毒性较小或无毒的物质，并在生物修复研究中得到了广泛的应用。目前所发现的电活性微生物中，希瓦氏菌（Shewanella）和地杆菌（Geobacter）因其可以从外部环境中摄取或者释放电子的多功能性而受到广泛关注。本文综述了这两种模式电活性微生物的双向EET机理，以及双向EET在生物电化学技术和环境修复中的应用研究进展。最后，讨论双向EET研究面临的挑战、前景和发展方向。

图1 图文摘要

主要内容

双向EET机理：研究证明Shewanella和Geobacter的双向EET机理主要分为直接电子传递和间接电子传递。在直接电子传递过程中，Shewanella和Geobacter与胞外物质直接接触，通过外膜细胞色素c或者“纳米导线”结构进行电子的相互传递。在间接电子传递过程中，Shewanella和Geobacter 利用自身分泌或者外源添加的氧化还原物质作为电子载体（即电子穿梭体）促进微生物和胞外物质之间的电子转移。

生物产能应用：Shewanella和Geobacter不仅能通过胞外电子释放过程生产电、氢气、甲烷和与产能相关的纳米材料，还可以通过胞外电子摄取过程生产增值化学品，这为可持续能源发展提供了机遇。Shewanella/Geobacter与电极之间的双向电子流动推动了微生物电化学技术的发展，具有显著的环境和经济效益（图2）。这些电活性微生物的胞外电子摄取能力使得它们可以在黑暗和缺氧环境中固定二氧化碳以及回收能量用于生产甲酸和甘油等。此外，这两种电活性微生物的表面导电结构（“纳米导线”）或它们通过胞外氧化还原反应产生的纳米材料可用作廉价且无毒的再生导电生物材料，并用于电子器件的构建。

图2 双向EET在微生物电化学技术中的应用

环境修复应用：Shewanella和Geobacter可以作为生物修复剂，以污染物为电子供体或受体应用于污染环境的生物修复（图3）。这两个模式体系能够实现芳香烃类污染物（作为电子供体）的生物氧化，以及有机卤化物、染料、重金属和放射性核素（作为电子受体）的还原性转化。在自然缺氧环境中的广泛分布以及具备的双向EET能力使这两种电活性微生物在污染场地的原位修复中具有代谢优势。

图3 双向EET在生物修复中的应用

总结与展望

电活性微生物（Shewanella和Geobacter）的双向EET路径已经初步建立，其在电化学系统和环境修复中的应用受到广泛关注。本综述讨论了这两种模式电活性微生物系统中进一步研究双向EET面临的挑战与未来发展方向：

1.双向EET电子传递链中涉及的一些关键蛋白尚未被完全鉴别和表征。尤其胞外电子摄取途径的研究还处于起步阶段，电子从电极向关键电活性微生物传递的路径尚未完全清晰。

2.对电活性微生物和电极之间双向EET 机制的了解并不完全，限制了微生物电化学技术的工程应用。提高电极上生物膜覆盖率，同时降低生物量阻力和加速电子传输，在实际废水处理中仍然具有挑战性。需要对电极微生物操作开展更多相关研究，以创建具有高活性、高导电性和可渗透性的生物膜。

3.阐明特定的Geobacter和产甲烷菌在复杂自然环境的直接种间电子传递（direct interspecies electron transfer，DIET）过程中的作用仍然是一个挑战。深入探究Geobacter与产甲烷菌之间的DIET机制，将有助于开发出监测产甲烷环境中DIET过程的分子生物学方法，并最终提高产甲烷率。

4.关于利用两种（或多种）不同污染物作为电子供体或受体，并通过双向EET过程被同时降解的研究还很少，而这对于环境中各种污染物的同步去除非常重要。探索有效利用电活性微生物的双向EET能力进行污染场地修复的可能性并提高修复效率，以及针对修复过程开发相关监测方法是有必要的。

第一/通讯作者简介

谢青青，湖南大学环境科学与工程学院在读博士生，目前总共参与发表SCI收录论文13篇，其中以第一作者发表SCI收录论文2篇。目前的研究方向为功能型纳米材料与微生物联合修复水环境污染技术。

鲁玥，博士，湖南大学环境科学与工程学院副教授，欧洲微生物学会联合会（FEMS）会员，国际水协会（IWA）会员，主要从事新型纳米材料和微生物联合修复难降解有机物污染，河湖污染湿地底泥修复，地下水污染修复等领域的研究工作。在研究领域权威期刊Environ Sci & Technol、Soil Boil Biochem、J Hazard Mater，Appl Microbiol and Biot发表高水平研究论文30余篇。

汤琳，博士，教授，博士生导师，湖南大学环境科学与工程学院教授。主要从事有机固废生物转化与高值化材料利用、碳基复合材料与微生物相互作用、污染环境修复效应监测等研究。以第一/通讯作者在Chem Soc Rev、Prog Mater Sci、Environ Sci & Technol、Water Res等环境领域高水平期刊上发表论文120余篇，H-Index 67；主编英文学术著作1部。

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|供稿：湖南大学汤琳团队

|编排：代子雯（CREST期刊推广员）

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