通过一种新型海洋电活性菌株Rossellomorea实现的高性能电力生成的电化学诱导

《Bioresource Technology》：Electrochemical induction of High-Performance electricity generation by A novel marine electroactive Rossellomorea strain

本研究从中国舟山近海沉积物中分离出高效电活性革兰氏阳性菌Rossellomorea aquimaris MT01，其在电化学反应器中最大电流密度达2.4 μA/cm2，超过基准模型Shewanella oneidensis MR-1。通过多组学整合分析，揭示了其独特的黄素依赖电子传递机制及营养限制下的代谢可塑性，为海洋沉积物环境修复和生物技术应用提供了新资源。

　　

罗丹|徐珂|翟瑞|郑晓云|何建宇|曲武|黄文远|王建新

浙江海洋大学海洋科学技术学院，中国舟山316000

摘要

电活性微生物（EAMs）在海洋沉积物-水界面的生物地球化学循环中起着关键作用，这是碳和矿物质转化的重要区域；然而，它们在自然环境中的有效性常常受到内在不稳定性和寡营养及动态变化环境条件的限制。为了解决这一问题，本研究重点从这些具有挑战性的栖息地中分离出强健的EAMs，并在此报道了一种新型的高电活性革兰氏阳性细菌——Rossellomorea aquimaris MT01，该菌株是从沿海海洋沉积物中分离出来的。在电化学反应器中，这种菌株表现出卓越的产电性能，最大电流密度达到了2.4 μA/cm²，显著超过了基准模型生物Shewanella oneidensis MR-1（1.5 μA/cm²）。此外，Rossellomorea aquimaris MT01在模拟的低营养条件下仍能维持显著的产电活性，这体现了其代谢灵活性和适应性。通过结合电化学技术、化学分析和基因组转录组学的研究方法，系统地研究了其细胞外电子转移途径，并揭示了其对氧化还原变化的关键调控响应。这些发现不仅加深了人们对海洋沉积物中电子流动机制和微生物适应策略的理解，还突显了利用具有韧性的革兰氏阳性EAMs在应用生物地球化学工程和下一代环境生物技术中的巨大潜力。

引言

海洋沉积物是地球生物地球化学循环中的关键界面，在这里氧化还原过程对碳、氮、铁和锰等元素的迁移和转化具有深远影响（Nielsen, 2010）。在这种复杂的微环境中，电活性微生物（EAMs）通过细胞外电子转移（EET）机制在沉积物与上层水体或导电矿物之间传递电子，从而协调局部耦合的氧化还原反应网络（Nielsen, 2010, Lovley, 2017）。许多细菌纳米线由细胞色素组成，它们与黄铁矿和可溶性电子穿梭体协同作用，促进电流在沉积物中的传导；这些穿梭体与黄铁矿和细胞色素相互作用，实现表面氧气与深层硫化氢之间的快速氧化还原反应耦合（Nielsen, 2010）。这些过程使得电子能够在陡峭的氧化还原梯度下传输，在沉积物生物地球化学中发挥基础性作用。

许多海洋沉积物具有缺氧、高盐度和寡营养的特点，这些环境条件对微生物的代谢和电子转移策略施加了强烈的选择压力（Ma, 2024）。这些环境限制也反映了生物电化学系统（BESs）面临的运营挑战，大规模应用于废水处理和能源回收时，常常受到高盐度下阳极生物膜稳定性差、营养限制以及氧化还原条件波动的阻碍（Guo, 2021）。因此，识别能够在高盐度和寡营养条件下有效进行EET的强健EAMs成为环境生物技术中的一个关键目标（Yadav and Patil, 2020）。海洋微生物在持续高盐度、低营养和氧化还原变化的环境中进化，因此对许多淡水或实验室适应的产电菌具有天然的耐受性（Okafor, 2011）。因此，海洋沉积物成为发现具有耐压性的电活性生物催化剂的重要来源，这些催化剂直接适用于高盐度BESs的应用。

迄今为止，研究主要集中在经典的革兰氏阴性模型生物（如Shewanella oneidensis MR-1和Geobacter sulfurreducens）上，这些生物通过包含c型细胞色素、导电纳米线、分泌的电子穿梭体和其他相关导电组分的综合网络实现高效的细胞外电子传输（Shi, 2016）。然而，最近的研究表明，即使缺乏外膜和典型的外膜细胞色素，革兰氏阳性细菌（如Listeria monocytogenes、Lysinibacillus varians GY32）也能进行EET（Light, 2018, Gavrilov, 2020）。这些生物可能依赖于替代策略，包括膜结合的醌系统、细胞外积累或分泌的低分子量氧化还原介质，或是尚未被充分研究的导电细胞表面结构（Paquete, 2020, Pankratova et al., 2019）。一些革兰氏阳性细菌（如Thermincola potens和Thermincola ferriacetica）含有多血红素细胞色素，这些细胞色素已被证明直接参与EET过程（Faustino, 2021, Carlson, 2012）。革兰氏阳性菌特有的厚肽聚糖层可能增强其对环境压力的耐受性，并有助于其在波动或极端条件下的长期存活（Light, 2018, Pasquina-Lemonche, 2020）。尽管如此，对革兰氏阳性EAMs的研究主要集中在陆地和淡水系统中，它们在海洋沉积物中的EET效率、代谢可塑性和生态作用仍不充分（Koch and Harnisch, 2016）。相比之下，从咸水环境中分离出的一些细菌已被认为是有前景的电活性物种（Rowe, 2014）。值得注意的例子包括Geoalkalobacter属（Yadav and Patil, 2020），以及Marinobacter属和Desulfuromonas属（Rousseau, 2016），这些菌株已被证明能在高盐度下维持EET。尽管取得了这些进展，但海洋来源的电活性细菌的电化学潜力尚未完全转化为BESs的实际应用。

在这项研究中，从近海沉积物中分离出一种新型的电活性革兰氏阳性细菌Rossellomorea aquimaris MT01（R. aquimaris MT01）。在相同的实验条件下，该菌株的电流产量明显高于模型电活性菌株S. oneidensis MR-1（1.5 μA/cm²）。即使在单一碳源限制（葡萄糖、乳酸、腐殖酸和琼脂寡糖）的情况下，该菌株也能维持产电活性。为了探索该菌株的EET机制，结合了全细胞电化学伏安法、氧化还原依赖性细胞染色方法和基因组解析技术来表征细胞表面氧化还原蛋白，并对分泌的氧化还原介质进行了针对性的化学分析。对这些途径的详细阐明将有助于完善海洋沉积物中电子流动的概念模型，并为在环境修复和生物技术应用中部署耐压且功能强大的电活性细菌奠定基础。

细胞培养准备

R. aquimaris MT01是从中国舟山附近的近海沉积物中分离出来的（30°42′N, 122°46′E；水深约15米）。该菌株通过16S rRNA基因测序和全基因组分析鉴定。R. aquimaris MT01在人工海水培养基中培养，然后通过离心收集，用添加了10 mM乳酸的定义培养基（称为DML）洗涤两次，最后重新悬浮在OD₆₀₀为3.0的DML中。Shewanella oneidensis MR-1则在LB培养基中培养

R. aquimaris MT01与S. oneidensis MR-1的比较电活性动态

由于EET会导致可量化的电子流向电极，电化学技术提供了一种直接检测这一过程的方法。因此，使用单电位安培法（SA）在传统的三电极配置下，施加+0.4 V vs SHE的电位来评估R. aquimaris MT01的产电能力。作为标准对比，测量了模型电活性细菌S. oneidensis MR-1。如图1A, R所示，R. aquimaris MT01产生的电流...

结论

本研究鉴定并报道了一种新型的海洋革兰氏阳性细菌R. aquimaris MT01，它是一种高效的电活性微生物，其产电性能超过了许多已建立的模型电生物。为了阐明其卓越性能的基础，采用了综合多组学策略和详细的电化学分析。结果表明，其卓越的EET能力主要由一种独特的黄素依赖机制驱动。

CRediT作者贡献声明

罗丹：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，验证，监督，数据管理。徐珂：撰写 – 初稿，方法学研究，实验设计。翟瑞：验证，数据管理。郑晓云：数据管理。何建宇：数据管理。曲武：数据管理。黄文远：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，数据管理。王建新：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：42507338、42573055、42303064、32200083、42020104009）、舟山“未来计划”下的“海纳计划”创新项目，以及舟山水产养殖与苗种技术创新中心项目（2025Y001-1-5）的财政支持。我们衷心感谢中国地质大学的Shi教授提供用于本研究的Shewanella菌株。