具有氧化还原活性的抗氧化剂能够使生物电化学系统保持高度稳定性

《Bioresource Technology》：Redox-active antioxidants enable highly stable bio-electrochemical systems

抗氧化剂介导的氧耐受电子传递体在生物电化学系统中的应用研究。采用电化学分析与密度泛函理论计算，发现植物源抗氧化剂fraxetin具有高热力学稳定性和抗氧氧化能力，其介导的电子传递效率比传统ESs（如FMN）在含氧条件下仅下降18%而非75%。该策略为解决实际环境中氧气渗透对生物电化学系统性能的影响提供了新思路。

　　

陈伟|白瑞|赵碧怡|周旭东|赵峰|肖勇

中国科学院城市环境研究所区域与城市生态国家重点实验室，中国厦门361021

摘要

在生物电化学系统中，电活性微生物与电极之间的高效界面电子转移是实现能源、环境、生物传感器和生物电子应用的基础。然而，在实际条件下不可避免的氧气渗透会严重降低系统性能。本文提出了一种策略，利用具有高热稳定性的植物来源抗氧化剂（如槲皮素）作为电子穿梭载体。电化学分析和密度泛函理论表明，与黄素单核苷酸不同，槲皮素能够抵抗氧气氧化，并在饱和溶解氧条件下维持电子转移。此外，氧气渗透导致由黄素单核苷酸介导的Shewanella oneidensis MR-1产生的电流下降了75%，而由槲皮素介导的电流仅下降了18%。这种方法提供了一种根本不同的、更实用的解决方案，比物理隔氧方法更为有效，为在实际环境中维持生物电化学系统中的高效界面电子转移提供了可靠且通用的途径。

引言

电活性微生物（EAMs）与电极之间的界面电子转移是生物电化学系统（BESs）的基础（Xiao等人，2017；Zhang等人，2024a），这些系统在废水处理（Yan等人，2018）、能量生成（Zhang等人，2024b）、环境监测（Li等人，2025）和医学诊断（Aiyer & Doyle，2022）领域展现出广泛的应用潜力。典型应用包括从有机废物中回收电能的微生物燃料电池（Cao等人，2021）、将二氧化碳转化为高价值有机物的微生物电合成（Xie等人，2023），以及生物传感器（Atkinson等人，2022）和可穿戴诊断设备（Choi，2022）。这些系统的有效运行高度依赖于无氧条件的维持（Logan等人，2019）。EAMs通过细胞外电子转移（EET）将细胞内代谢电子传递给电极，主要通过两种途径实现：由外膜c型细胞色素介导的直接接触，以及由可溶性电子穿梭载体（ESs）介导的间接接触（Shi等人，2016）。其中，ESs介导的EET尤为重要（Kundu等人，2025；Light等人，2018；Okamoto等人，2013），其贡献可高达电流的80%（Marsili等人，2008）。

然而，运行过程中不可避免的氧气渗透是一个重大挑战。氧气会干扰界面电子转移过程，从而降低系统效率并限制其实际应用（Harnisch等人，2024；Logan等人，2019）。大多数ESs对氧气非常敏感，其穿梭能力会因直接氧化而降低（Khan等人，2012；Ma等人，2025；Price-Whelan等人，2006），同时产生的活性氧（ROS）会进一步损害EAMs并降低BESs的效率。已经探索了一些工程策略来减轻氧气渗透的影响，例如优化反应器/电极配置或引入离子交换膜作为物理屏障（Amirdehi等人，2020；Choi和Chae，2013；Li等人，2023；Yang等人，2019；Yoon等人，2018）。然而，这些基于物理屏障的方法往往长期稳定性有限且适用范围有限，更重要的是，它们大多忽略了ESs的化学稳定性。提高ESs的化学稳定性可能为解决氧气渗透对界面电子转移的阻碍提供根本性的解决方案，这一方向目前研究较少。

有趣的是，植物进化出了高效的抗氧化防御系统以适应富氧环境（Mittler等人，2022）。这些系统的核心是具有强化学稳定性和氧化还原活性的小分子，它们可以消除ROS并维持细胞内的氧化还原平衡（Mittler等人，2022；Wang等人，2025）。ROS清除的本质是还原性抗氧化剂将氧化性ROS还原，这代表了在氧化条件下抗氧化剂向ROS的电子转移（Li等人，2020；Shahidi和Ambigaipalan，2015）。这一过程与BESs中微生物与电极之间的可逆电子交换有很强的机制相似性。受此启发，我们研究了天然抗氧化剂减轻氧气扩散影响并维持高效界面电子转移的潜力，为稳定BES性能提供了一个新的、可推广的概念。

在这里，我们结合电化学分析和密度泛函理论（DFT）计算，从分子层面研究了经典电子穿梭载体黄素单核苷酸（FMN）（Light等人，2018；Marsili等人，2008；Okamoto等人，2013）以及具有氧化还原活性的天然抗氧化剂槲皮素（McRose等人，2023；Medina等人，2014）的氧气稳定性和氧化还原热力学。我们还评估了氧气渗透对Shewanella oneidensis MR-1（一种广泛用于BESs研究的模型EAM菌株）（Lin等人，2021；Xiao等人，2021；Yang等人，2020）与电极之间由FMN或槲皮素介导的界面电子转移效率的影响。此外，我们还进行了转录组和基因分析，以阐明槲皮素在氧化条件下促进S. oneidensis MR-1电子转移的分子机制。总体而言，本研究提供了分子层面的证据和策略性见解，有助于在氧气侵入情况下维持EAMs与电极之间的高效界面电子转移，并为选择适用于氧气渗透环境的电子穿梭载体提供了通用框架。

材料

氯化铵（NH₄Cl）、磷酸二氢钾（K₂HPO₄）、氯化钠（NaCl）和乳酸钠（C₃H₅NaO₃）由中国新华制药试剂有限公司购买。槲皮素由中国Macklin生化有限公司购买。硝基蓝四唑和HEPES由中国Aladdin工业有限公司购买。黄素单核苷酸由美国Sigma-Aldrich有限公司购买。酵母提取物和色氨酸由中国Sangon Biotech有限公司购买。

菌株和生长条件

Shewanella

氧化条件下的电子穿梭载体电子交换能力

为了评估氧气是否会影响电子穿梭载体的电子交换能力，在氧化和无氧条件下进行循环伏安法（CV）实验发现，在氧气存在下FMN的氧化峰几乎完全消失（图1a），这表明还原态的FMN可能与氧气反应，从而阻止其在电极表面的再氧化。相比之下，槲皮素在两种条件下都保持了稳定的氧化还原峰（图1b）。在无氧条件下，补充...

结论

总之，本研究提出了一种通用的策略，通过利用抗氧化剂作为电子穿梭载体来解决BESs中长期存在的氧气渗透问题。通过电化学表征和密度泛函理论计算，我们发现槲皮素在氧化条件下具有高热稳定性，是一种耐氧的电子穿梭载体。与容易被氧气氧化并产生活性氧的传统黄素单核苷酸不同...

CRediT作者贡献声明

陈伟：撰写——初稿、方法学、数据分析、概念构建。白瑞：方法学、数据分析。赵碧怡：验证、数据分析。周旭东：撰写——审稿与编辑、数据分析。赵峰：撰写——审稿与编辑、方法学、概念构建。肖勇：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法学、资金获取、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号22276183）、中国科学院城市环境研究所（项目编号IUE-JBGS-202212）以及中国科学院青年创新促进协会（项目编号Y2022082）的支持。