近日，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院周禮杰團(tuán)隊在環(huán)境工程領(lǐng)域頂級期刊Water Research（Nature Index期刊；影響因子11.4；中科院JCR 1區(qū)，TOP期刊）上發(fā)表題為“Non-electroactive bacteria behave variously in AnMBR biofilm control using electric field”研究論文。該團(tuán)隊副教授周禮杰為論文第一作者及獨(dú)立通訊作者，深圳大學(xué)為第一作者單位及通訊單位。
電場已經(jīng)廣泛應(yīng)用于厭氧膜生物反應(yīng)器。電場的另一個突出應(yīng)用是直接為細(xì)菌的分解代謝過程提供電子，如微生物電解細(xì)胞(MECs)。這些電活性細(xì)菌可以直接從固體電極獲取電子，并通過導(dǎo)電的附體，如納米線和菌毛，在彼此之間傳遞電子。因此，電活性細(xì)菌通常在不需要任何電場的情況下使用外部電場來富集可溶性電子供體。與電活性細(xì)菌占據(jù)大量焦點相比，非電活性細(xì)菌由于無法直接將電子從電極轉(zhuǎn)移到電極或從電極轉(zhuǎn)移到電極而很少被電化學(xué)技術(shù)所利用。盡管存在這種限制，但最近的證據(jù)表明，在細(xì)菌界占主導(dǎo)地位的非電活性細(xì)菌可能在電場介導(dǎo)的過程中發(fā)揮一些重要作用。例如，低壓電場生物反應(yīng)器中主要含有非電活性細(xì)菌中，生物膜內(nèi)的大多數(shù)細(xì)菌細(xì)胞似乎都是非電活性細(xì)菌。因此，我們想知道非電活性細(xì)菌是否會受到電場的顯著影響。在E-AnMBR操作過程中，非電活性細(xì)菌在通過電場控制生物膜形成中起什么作用?
在這項研究中，我們研究了E-AnMBR中非電活性細(xì)菌的行為，重點研究了它們對生物膜形成的貢獻(xiàn)以及它們對使用各種低壓電場控制生物膜形成的反應(yīng)。通過研究非電活性細(xì)菌的群落作用和功能基因豐度，我們旨在闡明在生物膜形成過程中電與非電活性細(xì)菌之間的相互作用。了解這些動力學(xué)將為非電活性細(xì)菌在生物膜控制中的作用提供新的見解，拓寬生物電化學(xué)應(yīng)用的范圍，超越傳統(tǒng)對電活性生物的重視。
首先使用電位在四個E-AnMBR中沒有檢測到電流，表明水電解沒有發(fā)生在實驗過程中。如前所述，據(jù)報道，一些電活性細(xì)菌利用細(xì)胞色素c進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移成長。然而，我們分析宏基因組組合基因組(MAGs), 發(fā)現(xiàn)Thauera, Desulffomicrobium, andPseudomonas，他們攜帶完整的或部分反硝化基因，但缺乏細(xì)胞色素c編碼基因，表明這些MAGs不可能是電活性細(xì)菌。此外，生物膜樣品的紅外掃描顯示沒有特征在1405cm-1處的吸收波長，這已經(jīng)是用于指示細(xì)胞色素c的存在。綜合來看，所有這些證據(jù)表明銅網(wǎng)的功能陰極電極可能會產(chǎn)生電磁場排斥細(xì)菌(和其他自然產(chǎn)生的有機(jī)物)。
通過SEM觀察非電活性菌的生物膜形成情況，生物膜厚度在350 ~ 800 μm之間(圖S7)。與S4中的生物膜(468 μm)相比，發(fā)現(xiàn)過低(0.3 V)和過高(1 V)的電場電壓都阻礙了非電活性細(xì)菌在膜表面的生物膜生長。0.5 V電場(S2)顯著提高了非電活性細(xì)菌的生物膜厚度(780 um)，達(dá)到S4的1.6倍。此外，S2 (0.5 V)較高的zeta電位絕對值(31.6 mV, p < 0.01)也進(jìn)一步支持了這一點(圖S8)。由此可見，電場顯著調(diào)節(jié)非電活性細(xì)菌生物膜的發(fā)育，而0.5 V電場則明顯刺激非電活性細(xì)菌在膜表面的形成。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，較低的PN/PS被認(rèn)為增加了非電活性細(xì)菌在膜上不可逆的生物膜形成。從圖2(a)和(b)可以直觀地看出，PN/PS值為S1 (1 V)> S3 (0.3 V)> 54 (0 V)> S2 (0.5 V)，S3 (0.3 V)和S1 (1 V)使PN/PS值高于S4，而S2 (0.5 V)使其降低。這一結(jié)果與S2的生物膜最厚的觀察結(jié)果相一致。在0.5 V電場作用下，核酸最高(26.8 mg/g VsS, p < 0.01)。同時，S2的生物膜越厚，其核酸含量也可能越高。這一結(jié)果解釋了為什么0.5 V電場會加劇由于非電活性細(xì)菌生物膜在膜表面形成的不可逆性污染。此外，S2的高脫氫酶活性(DHA)含量(9.36 mg/g VSS, p < 0.01)也支持了這一結(jié)論(圖d)。在生物處理過程中，高DHA產(chǎn)生更多的代謝廢物，從而導(dǎo)致非電活性細(xì)菌形成更嚴(yán)重的生物膜。與S4相比，S2的DHA含量增加，而S3和S1的DHA含量則受到抑制。因此，0.5 V電場可以促進(jìn)非電活性細(xì)菌的生物膜形成，并積聚在膜表面。
為了理解低電壓電場導(dǎo)致E-AnMBR中生物膜變厚這一過程所涉及的機(jī)制，我們利用宏基因組技術(shù)檢測了非電活性細(xì)菌群落的功能基因豐度，從而繪制了群落中的元代謝網(wǎng)絡(luò)圖。通過宏基因組分析，從基因水平鑒定了非電活性細(xì)菌在電場作用下的代謝途徑譜圖。功能分析基于KEGG數(shù)據(jù)庫對高豐度代謝途徑酶的編碼基因進(jìn)行了標(biāo)記(圖3)。與S4相比，與非電活性細(xì)菌生長相關(guān)的各種有機(jī)物的生物合成和代謝基因(即碳水化合物代謝、脂質(zhì)代謝和氨基酸代謝)在S2中總體呈上升趨勢(圖3c)，而S1和S3總體呈下降趨勢(圖3a)。這一結(jié)果表明，電場刺激了非電活性細(xì)菌的代謝能力。與S4相比，S2的群體感應(yīng)(QS)基因比SI和S3的要豐富得多(圖3b)。QS基因的增加可能有助于細(xì)菌之間的信息交換和非電活性細(xì)菌的生物膜形成(Sun et al. 2018)。電場還可以干擾微生物群落中的信號通路和通訊機(jī)制，包括群體感應(yīng)，這對生物膜的形成非常重要(Zhou et al. 202b)。氨基酸旺盛的代謝活性(即Glyoxylate和dicarboxylate, Pyruvate,Glycine serine和蘇氨酸)進(jìn)一步證實了這一點(圖3a)。基于功能基因預(yù)測分析，電場調(diào)節(jié)碳代謝影響NADH再生和氧化磷酸化編碼脂肪酸代謝途徑酶的功能基因的增加表明有可能有更多的乙酰輔酶a被燃料注入檸檬酸循環(huán)(圖4a)。檸檬酸循環(huán)途徑中編碼琥珀酸脫氫酶1.3.5.1、琥珀酸- coa合成酶(6.2.1.5)和2-0xoglutarate reductase[1.2.7.3]的功能基因的高豐度也證實了這一點(圖4a)。同時，琥珀酸脫氫酶[1.3.5.1]和2-氧戊二酸還原酶[1.2.7.3]編碼的功能基因豐度高，表明會產(chǎn)生更多的氧化磷酸化底物FADH2和NADH。因此，加快了氧化磷酸化的電子傳遞速度。這表明FADH2和NADH積累，促進(jìn)了氧化磷酸化過程中的電子轉(zhuǎn)移。事實上，編碼氧化磷酸化途徑酶的功能基因明顯增加(圖4b)，類似于大多數(shù)其他編碼參與檸檬酸循環(huán)的酶的基因(圖4a)?？傮w而言，電場(0.5 V)通過調(diào)節(jié)碳代謝影響NADH再生和氧化磷酸化，顯著影響非電活性細(xì)菌的生物膜形成。3.5. 電場與非電活性細(xì)菌代謝途徑的相互作用關(guān)系代謝途徑功能基因、固碳基因、碳代謝基因、TCA循環(huán)基因、群體感應(yīng)基因具有較高的相關(guān)系數(shù)(圖5)。它們的最低相關(guān)系數(shù)為0.80。說明編碼酶的代謝途徑基因增加，編碼酶的QS基因也會增加。因此，在anmbr中，非電活性細(xì)菌是通過電場控制生物膜的關(guān)鍵貢獻(xiàn)者。
這項工作得到了廣東省自然科學(xué)基金-面上項目、廣東省普通高校特色創(chuàng)新項目和深圳市高等院校支持計劃穩(wěn)定支持-面上項目的支持。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135424015458
